Supermassive black hole spin evolution in cosmological simulations

Sala, Luca (2024): Supermassive black hole spin evolution in cosmological simulations. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Es gibt überzeugende Indizien dafür, dass die meisten Galaxien in unserem Universum ein supermassereiches Schwarzes Loch (SMBH) in ihrem Zentrum beherbergen. Wenn das zentrale SMBH Gas aus seiner Umgebung akkretiert, gibt es große Mengen an Energie an die Umgebung ab. Solche akkretierenden SMBHs werden allgemein als Aktive Galaktische Kerne (AGN) bezeichnet. Es wurde mittlerweile festgestellt, dass sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen, durch das sogenannte AGN-Feedback. Die gemeinsame Entwicklung von SMBHs und ihren Galaxien ist ein komplexes, multi-Skalen Problem und beinhaltet das hochgradig-nichtlineare Zusammenspiel zwischen Akkretion und Feedback, das die kosmische Entwicklung von Strukturen reguliert. Großskalige kosmologische hydrodynamische Simulationen haben sich als grundlegendes Werkzeug erwiesen, um ein solches Zusammenspiel zu untersuchen. Eine Reihe von Arbeiten in der Literatur hat sich darauf konzentriert, die Details des zentralen Mechanismus, der für die Energieabgabe verantwortlich ist, aus beobachtender und numerischer Sicht zu untersuchen. Seine Eigenschaften sind entscheidend mit der Physik des Akkretionsflusses innerhalb weniger Parsec des schwarzen Lochs verbunden. Diese bestimmt den Kanal der Energieabgabe, der für das Feedback verantwortlich ist, welches in Form von Strahlung oder durch leistungsstarke relativistische Jets auftreten kann. Die Jets spielen eine wichtige Rolle, insbesondere in Galaxienhaufen, wo sie Feedback durch die Einspeisung von Energie in das Intra-Cluster-Medium ausüben und Kühlungsverluste ausgleichen. Der Spin des schwarzen Lochs wird als Schlüsselkomponente bei der Bildung von Jets betrachtet, da er deren Leistung und Richtung bestimmt. Darüber hinaus bestimmt er die Strahlungseffizienz des Akkretionsprozesses auf SMBHs. Trotz seiner Bedeutung wird der Spin als Eigenschaft von schwarzen Löchern selten in kosmologische Simulationen einbezogen. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Entwicklung des Spins des schwarzen Lochs im Laufe der kosmischen Zeit umfassend zu untersuchen und wie dieser die gemeinsame Entwicklung von SMBHs und ihren Galaxien beeinflusst, unter Verwendung kosmologischer hydrodynamischer Simulationen. Um dieses Ziel zu erreichen, habe ich ein Modell implementiert, das Prozesse unter der Auflösungsgrenze beschreibt, insbesondere den Spin des schwarzen Lochs entwickelt und Gasakkretion und Verschmelzungen supermassiver schwarzer Löcher berücksichtigt. Das Modell geht von der Existenz einer ungleichmäßigen, geometrisch dünnen und optisch dicken Akkretionsscheibe aus, die durch die Metrik eines rotierenden schwarzen Lochs gestört wird und den Massentransfer von den aufgelösten Skalen der Simulationen vermittelt. Die Kopplung zwischen dem Akkretionsfluss und der Metrik des schwarzen Lochs übt ein Drehmoment aus, das den Spin des schwarzen Lochs modifiziert. Ich habe untersucht, wie sich der Spin des schwarzen Lochs entwickelt, indem ich eine Reihe von Simulationen verwende, die idealisierte Setups, zoom-in Simulationen und eine kosmologische Box umfasst, das eine große Population von SMBHs produziert. Dies ermöglichte es mir, die gekoppelte Entwicklung von Spinrichtung und -größe, die Auswirkungen des dynamischen Zustands des Gases, das die schwarzen Löcher speist, und die Auswirkungen von Verschmelzungen auf die Verteilung der Spins der schwarzen Löcher als Funktion der Eigenschaften der schwarzen Löcher detailliert zu analysieren. Die Simulationsergebnisse werden durch die Informationen zum Spin des schwarzen Lochs bereichert. Dies ebnet den Weg für weitere Untersuchungen und Entwicklungen, wie die Analyse der Beziehung zwischen dem Spin des Schwarzen Lochs und Galaxienmorphologie. Am wichtigsten ist, dass die Größe und Richtung des Spin des schwarzen Lochs jetzt mit einer Beschreibung unter der Auflösungsgrenze für Jet-Feedback gekoppelt werden können, die darauf abzielt, ihre Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium zu reproduzieren, wie wir es in Radiogalaxien beobachten. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert. In Kap. 1 werde ich den kosmologischen Kontext und das Simulationsrahmenwerk einführen, auf dem das Spin-Entwicklungsmodell basiert. In Kap. 2 werde ich einige beobachtbare Eigenschaften von AGN sowie empirische Beweise für AGN-Feedbackprozesse und wie sie in kosmologischen Simulationen einbezogen werden darstellen. Ich werde auch die Rolle des Spins schwarzer Löcher bei der Erzeugung von Jets und die Techniken diskutieren, die es uns ermöglichen, empirische Einschränkungen darauf zu erhalten. In Kap. 3 werde ich zunächst einige Aspekte der Theorie von Akkretionsscheiben überprüfen und dann die Implementierung des Modells für Spin-Entwicklung in den Code OpenGadget3 vorstellen. In Kap. 4 werde ich die Simulationsreihe beschreiben, die verwendet wurde, um das Modell zu validieren und eine umfassende statistische Studie der Spins von schwarzen Löchern durchzuführen, und ich werde die Ergebnisse dieser Simulationen vorstellen. In Kap. 5 werde ich die Auswirkungen der Ergebnisse diskutieren und mit früheren Arbeiten vergleichen. Schließlich werde ich in Kap. 6 zukünftige Perspektiven aufzeigen und in Kap. 7 die Arbeits zusammenfassen und abschließen.

Abstract

There is compelling evidence that most of the galaxies in our Universe host a supermassive black hole (SMBH) at their centre. When the central SMBH accretes gas from the surroundings it releases large amounts of energy back to the environment. Such massive accreting BHs are commonly referred to as Active Galactic Nuclei (AGN). It has been now established that they have an important role in the evolution of galaxies, through the so-called AGN feedback. This joint evolution is a complex, multi-scale problem and involves the highly non-linear interplay between accretion and feedback, regulating the cosmic evolution of structures. Large-scale cosmological hydrodynamical simulations have proved to be a cornerstone tool to study such interplay. A number of works in literature have focussed on studying the details of the central engine responsible for the energy release, from the observational and numerical point of view. Its properties are crucially related to the physics of the accretion flow within a few parsecs from the BH. This determines the channel of energy release responsible for feedback, which can occur in the form of radiation or through powerful relativistic jets. The jets are important actors, especially in galaxy clusters where they exert feedback by injecting energy into the intra-cluster medium and offset cooling losses. The BH spin is thought to be a key ingredient in the formation of jets because it determines their power and direction. Moreover, it determines the radiative efficiency of the accretion process onto BHs. Despite its importance, this property of BHs is seldom included in cosmological simulations. This Thesis aims to comprehensively study the evolution of the BH spin across cosmic time and how it affects the co-evolution of SMBHs and their host galaxies, using cosmological hydrodynamical simulations. To achieve this goal, I implemented a sub-resolution model that evolves the BH spin, accounting for gas accretion and mergers. The model assumes the presence of a misaligned geometrically thin, optically thick accretion disc perturbed by the metric of a spinning BH, mediating the mass transfer from the resolved scales of the simulations. The coupling between the accretion flow and the metric of the BH exerts a torque that modifies the BH spin. I explored how the BH spin evolves using a simulation suite comprising idealised setups, zoomed-in simulations and a cosmological volume, that produces a large simulated population of BHs. This allowed me to analyse in detail the coupled evolution of the spin direction and magnitude, the effect of the dynamical state of the gas fuelling the BHs and the impact of mergers on the distribution of BH spins, as a function of BH properties. The simulation output is enriched by the information on the BH spin, and this paves the way for further investigation and development, such as the analysis of the relation between BH spin and galaxy morphology. Most importantly, the BH spin magnitude and direction can now be coupled to a sub-resolution prescription for jet feedback that aims at reproducing their interaction with the surrounding medium, as we observe in features like the radio lobes. The Thesis is organised as follows. In Ch. 1 I will introduce the cosmological context and the simulation framework upon which the spin evolution model is based. In Ch. 2 I will revise a few observational properties of AGN, as well as the empirical evidence for AGN feedback processes, and how they are included in cosmological simulations. I will also discuss the role of BH spin in the production of jets and the techniques that allow us to get empirical constraints on it. In Ch. 3 I will first review a few aspects of the theory of accretion discs and then present the implementation of the sub-resolution model for spin evolution into the code OpenGadget3. In Ch. 4 I will describe the suite of simulations used to validate the model and conduct a comprehensive statistical study of BH spins and I will present the results of such simulations. In Ch. 5, I will discuss the implications of the results and how they compare to previous works. Finally, in Ch. 6 I will provide future prospects and in Ch. 7 I will summarise and conclude.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 7. Juni 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Dolag, Klaus