Formation of massive seed black holes by direct collapse in the early universe

127 Pages·2014·2.15 MB·English

by  Bhaskar Agarwal

Formation of massive seed black holes
by direct collapse in the early Universe
Bhaskar Agarwal
Mu¨nchen 2013

Formation of massive seed black holes
by direct collapse in the early Universe
Bhaskar Agarwal
Dissertation
an der Fakulta¨t fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Mu¨nchen
vorgelegt von
Bhaskar Agarwal
aus Udaipur, India
Mu¨nchen, den 16 September 2013
Erstgutachter: Dr. Sadegh Khochfar
Zweitgutachter: Prof. Andreas Burkert
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 6 December 2013
v
Dedicated to my fianc´ee, Sonam.
vi
Contents
Zusammenfassung xiii
Abstract xv
1 Explaining the first supermassive black holes 1
2 Cosmic dawn 3
2.1 Cosmological framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Density perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Growth of perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 The first stars and galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Seeds of the quasars at z > 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Stellar seeds of quasars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Direct collapse seeds of quasars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Conditions for direct collapse 23
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 The N-body simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2 Star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 Impact of LW radiation on star formation and direct collapse . . . . 31
3.2.4 J calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
LW
3.2.5 Escape fraction of LW radiation and reionization feedback . . . . . 36
3.2.6 Model normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 The LW intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Sources responsible for J > J . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
crit
3.3.3 Abundance and growth of DCBHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.4 DCBH host haloes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.5 Efficiency of DCBH formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.6 Reionisation Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Observability of the stellar seeds of direct collapse black holes . . . . . . . 53
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
viii Contents
4 Unravelling obese black holes in the first galaxies 59
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.1 DCBH forming haloes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 Star Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.3 Growth of a DCBH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.1 Observational predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Direct collapse black hole candidates in FiBY 73
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.1 FiBY Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.1 Identifying the DC sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.2 The environment of DCBHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.3 Galaxies producing J . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
crit
5.4 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Outlook 89
A Mass function and distance analysis 91
A.1 Details of Methodology: Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.1.1 Mass Function at z = 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.1.2 Selection of LW sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Acknowledgements 104
List of Figures
2.1 The first galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Cooling function for hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Gas composition of the early Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Density vs. temperature of gas under collapse . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Accretion rate for a Pop III proto–stellar core . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Accretion onto seed BHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Reaction speed vs. density for H dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2
3.1 Critical mass for Pop III star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Lyman–Werner emission from Pop II stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 The star formation rate mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Star formation rate densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Mean LW background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 LW radiation evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.7 The distribution of J . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
local
3.8 Formation rate density of DCBH sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.9 DCBH mass function and cumulative mass density for the fiducial case . . 45
3.10 The correlation function ξ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
total
3.11 Age distribution of the DCBH host haloes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.12 Efficiency of DCBH site formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.13 DCBH mass function and cumulative mass density for reionisation case . . 52
3.14 Supermassive stellar progenitors of DCBHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1 Temperature–spin distribution of DC haloes . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 M –M relation for OBGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
BH bulge
4.3 Observability of OBGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Size versus magnitude relation of OBGs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Evolution of LW radiation in DC3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Evolution of LW radiation in DC5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 Merger tree for DC candidate haloes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4 LW radiation and metallicity for DC0’s environment . . . . . . . . . . . . . 83
5.5 LW radiation and metallicity for DC2’s environment . . . . . . . . . . . . . 83
x List of Figures
5.6 LW radiation and metallicity for DC3’s environment . . . . . . . . . . . . . 84
5.7 Galaxies in the neighbourhood of the DC candidates . . . . . . . . . . . . 85
A.1 The mass function of haloes at z = 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.2 Lightcone diagram for the selection of LW sources . . . . . . . . . . . . . . 93
A.3 Infinite Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93