Research for mass accretion process onto intermediate-mass black holes in protogalaxies

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K20378
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0204:Astronomy, earth and planetary science, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Toyouchi Daisuke 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (30907374)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Keywords: 大質量星 / ブラックホール / ガス降着 / 輻射流体シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

The formation mechanism of supermassive black holes (BHs) is still a big mystery, and the main bottleneck is uncertainty in how the seed black holes form and how rapidly they acquire mass via gas accretion. In this study, we have performed three-dimensional radiative hydrodynamic simulations to investigate the formation process of massive stars in the early universe and the gas accretion process onto BHs left after the progenitor star died. Our simulation results have enabled us to predict the mass distribution of remnant BHs and estimate the detectability of rapidly growing BHs in the early universe with the ongoing JWST observations.

Free Research Field

天文学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

初期宇宙で許される様々な星形成環境でシミュレーションを実施した結果、形成する初代星の質量は１００太陽質量から１０万太陽質量まで幅広い範囲に分布し、星質量と母体となるガス雲の密度、温度の間には密接な相関関係が存在するが明らかになった。私はこの関係と宇宙論的構造形成モデルを掛け合わせて初代星の質量分布を予言した。さらに星がBHへと進化した後もシミュレーションを続け、一部のBHが非常に急速な質量成長を経験することを示した。このように急速成長するBHはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などで観測できる可能性がある。これらの研究成果は超巨大BH形成の全貌解明に向けた大きな前進と言える。