Massive black holes beyond the Eddington limit
Trous noirs massifs au-delà de la limite d'Eddington
Résumé
Decades of surveying the sky have lead to the conclusion that in the center of most galaxies lies a massive compact object of 10^6 to 10^10 Msun known as a supermassive black hole (SMBH). Several relations connecting SMBHs and their host properties have been derived and it is now commonly accepted that galaxies and SMBHs co-evolve. For instance, SMBHs are able to grow with the gas that galaxies funnel towards them and can efficiently convert parts of this accreted gas into radiation, winds and jets. The effect that the energy injection through these phenomena has on the galaxy is usually referred to as feedback. SMBHs that accrete and produce radiation through their accretion discs are called active galactic nuclei, and the most luminous among them, which can shine significantly brighter than their host galaxies, are called quasars. Some of these quasars are detected within 1 Gyr after the Big Bang, and their SMBHs have masses ≳ 10^9 Msun. This implies that these compact objects must have grown extremely fast, or have grown from very massive seeds. This is one of the major unsolved problems in extragalactic astrophysics, where a standard Eddington-limited accretion scenario cannot explain the observed population of high-redshift quasars. A number of different scenarios have been put forward to explain the presence of these SMBHs and the one considered in this thesis invokes accretion beyond the Eddington limit. Super-Eddington accretion has been discussed both from a theoretical point of view and an observational perspective. This regime is characterized by very high accretion rates, which,if able to feed the SMBHs for sufficiently long times, would allow for a faster growth compared to ``standard'' assumptions. Accretion at such high rates may have consequences on the amount of energy released in the surroundings of the compact object, thus impacting the environment the SMBH is embedded in. This could lead to halting the growth of SMBHs altogether, thus having the opposite effect from the one desired. The idealised simulations presented in this thesis are meant to provide a better understanding of the impact that super-Eddington accretion has on BH growth. By adding a BH to the center of an emergent galaxy embedded in an isolated dark matter halo, we have been able to conduct a survey on the parameter dependence regarding BH growth. We have investigated the overall impact on the gas inflows and outflows, varying the feedback efficiencies and modes of injection in the super-Eddington regime. These simulations showed that, under the assumptions explored in this thesis, super-Eddington feedback efficiently and rapidly shuts off further super-Eddington episodes. Our findings also suggested that with the right combination of BH spin and super-Eddington feedback strength, there may be a window for mildly super-Eddington mass evolution. A subsequent study of BH spin evolution during super-Eddington phases coupled with sub-Eddington episodes, revealed that BHs with low spin magnitude may undergo efficient super-Eddington growth for a short period of time, before inevitably spinning-up and ceasing critical accretion altogether.
Des décennies d'observations du ciel ont conduit à la conclusion qu'au centre de la plupart des galaxies se trouvait un object compact massif de 10^6 à 10^10 Msun connu sous le nom de trou noir supermassif (TNSM). Plusieurs relations associant TNSMs et propriétés de leurs hôtes ont été établies et il est désormais communément admis que les galaxies et TNSMs évoluent ensemble. Par exemple, les TNSMs peuvent croître à l'aide du gaz fourni par les galaxies, et sont capables de convertir efficacement une partie de ce gaz accrété sous forme de rayonnement, de vents et de jets. L'injection d'énergie par ces mécanismes a un certain effet sur la galaxie, généralement appelé rétroaction. Les TNSMs qui accrètent et produisent des rayonnements par le biais de leurs disques d'accrétion sont appelés noyaux actifs de galaxie, et les plus lumineux d'entre eux, qui peuvent briller beaucoup plus que leur galaxie hôte, sont appelés quasars. Certains de ces quasars sont détectés moins de 1 Gyr après le Big Bang, et leurs TNSMs ont une masse ≳10^9 Msun. Cela implique que ces objets compacts ont dû croître extrêmement rapidement ou à partir de graines très massives. Il s'agit de l'un des principaux problèmes non résolus en astrophysique, où un scénario d'accrétion standard limité par Eddington ne peut expliquer la population de quasars observée à haut redshift. Un certain nombre de scénarios différents ont été proposés pour expliquer la présence de ces TNSMs et celui considéré dans cette thèse invoque l'accrétion au-delà de la limite d'Eddington. L'accrétion super-Eddington a été discutée à la fois d'un point de vue théorique et observationnel. Ce régime est caractérisé par des taux d'accrétion très élevés qui, s'ils sont capables d'alimenter les TNSMs pendant des temps suffisamment longs, permettraient une croissance plus rapide par rapport aux hypothèses "standard''. L'accrétion à des taux aussi élevés peut avoir des conséquences sur la quantité d'énergie libérée dans les alentours de l'objet compact, impactant ainsi l'environnement dans lequel le TNSM se trouve. Cela pourrait conduire à un arrêt total de la croissance des TNSMs, ayant ainsi l'effet inverse de celui recherché. Les simulations idéalisées présentées dans cette thèse ont pour but de fournir une meilleure compréhension de l'impact de l'accrétion super-Eddington sur la croissance des TNs. En ajoutant un TN au centre d'une galaxie émergente au sein d'un halo isolé de matière noire, nous avons pu mener une étude sur la dépendance des paramètres concernant la croissance du TN. Nous avons étudié l'impact global sur les flux de gaz entrants et sortants, en faisant varier les efficacités de rétroaction et les modes d'injection dans le régime super-Eddington. Selon les hypothèses explorées dans cette thèse, ces simulations ont montré que la rétroaction super-Eddington empêche efficacement et rapidement d'autres épisodes super-Eddington. Nos résultats suggèrent également qu'avec la bonne combinaison de spin du TN et de rétroaction super-Eddington, il peut y avoir une possibilité pour une croissance légèrement au-delà de la limite. Une étude ultérieure de l'évolution du spin du TN pendant les phases super-Eddington couplées à des épisodes sous-Eddington, a révélé que les TNs en rotation lente peuvent obtenir une croissance super-Eddington efficace pendant une courte durée, avant d'inévitablement accélérer leur rotation et cesser d'accréter à super-Eddington.
Origine : Version validée par le jury (STAR)