Formation and Growth of the First Supermassive Black Holes
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Formation and Growth of the First Supermassive Black Holes Ph.D. Thesis by Tilman Hartwig UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE École Doctorale d’Astronomie et Astrophysique d’Île-de-France Ph.D. Thesis to obtain the title of Doctor in Astrophysics of the University Pierre et Marie Curie Presented by Tilman Hartwig Formation and Growth of the First Supermassive Black Holes Thesis Advisor: Dr. Marta Volonteri prepared at the Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS (UMR 7095), Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) with financial support from the European Research Council grant ‘BLACK’ Presented and publicly defended on the 22nd of September, 2017 to a jury consisting of Reviewers: Michela Mapelli - INAF, Padova, Italy Jarrett Johnson - LANL, Los Alamos, USA Advisor: Marta Volonteri - IAP, Paris, France President: Frédéric Daigne - IAP, Paris, France Examiner: Ralf Klessen - ZAH, Heidelberg, Germany Formation and Growth of the First Supermassive Black Holes Supermassive black holes reside in the centres of most massive galaxies and we observe correlations between their mass and properties of the host galaxies, such as bulge mass or stellar velocity dispersion. Besides this correlation between a galaxy and its central black hole (BH), we see BHs more massive than one billion solar masses already a few hundred million years after the Big Bang. These supermassive BHs at high redshift are just the tip of the iceberg of the entire BH population, but they challenge our understanding of the formation and growth of the first BHs. With this thesis, I contribute to a better understanding of the formation and growth of the first supermassive BHs with theoretical models and comparisons to recent observations. I improve radiative transfer in 3D hydrodynamical simulations to study the formation of massive BH seeds and analyse the feedback of accreting BHs in their typical host galaxies with a novel 2D analytical approach. Moreover, I model observations of the Lyman-α emitter CR7 and of the first detection of gravitational waves with a semi-analytical model of early star formation. Our improved method to calculate H2 self-shielding in simulations of supermassive star and BH seed formation (‘direct collapse’) yields probabilities to form massive seed BHs that are more than one order of magnitude higher than previously expected. We find that CR7 might be the first candidate to host such a direct collapse BH and we disprove the initially claimed existence of a massive metal-free stellar population in CR7. To better constrain a different seeding scenario for the first BHs, we calculate the merger rate density of binary BHs from the first stars and their detection rates with aLIGO. Our model demonstrates that upcoming detections of gravitational waves in the next decades will allow to put tighter constraints on the properties of the first stars and therefore on formation scenarios of the first BHs. To follow the subsequent accretion of the seed BHs, we develop a 2D analytical model of active galactic nuclei-driven outflows to demonstrate that a more realistic disc profile reduces the amount of gas that is ejected out of the halo, compared to existing 1D models. The outflow prevents gas accretion on to the central BH for only about ∼ 1 Myr, which permits almost continuous gas inflow in the disc plane. 4:8 Our model yields a correlation of MBH / σ between the BH mass and the host’s velocity dispersion, close to observations. In the last chapter, we conclude by summarising our results and presenting future research perspectives. Formation et Croissance des Premiers Trous Noirs Supermassifs Les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies massives et on observe des corrélations entre leurs masses et les propriétés de leurs galaxies hôtes, comme la masse du bulbe ou la dispersion des vitesses stellaires. De plus, on observe des trous noirs de plus d’un milliard de masses solaires quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Ces trous noirs supermassifs présents dans l’univers jeune ne sont que le sommet de l’iceberg de l’ensemble de la population de trous noirs, mais ils mettent en question notre compréhension de la formation et de la croissance des premiers trous noirs. Avec cette thèse, je contribue à une meilleure compréhension de la formation et la croissance des pre- miers trous noirs supermassifs grâce à des modèles théoriques et des comparaisons avec des observations récentes. J’améliore le transfert radiatif dans les simulations hydrodynamiques pour étudier la formation des graines massives de trous noirs et j’analyse la rétroaction des trous noirs accretant dans leurs galaxies hôtes avec une nouvelle approche analytique en 2D. De plus, je modélise les observations de l’émetteur de Lyman-α CR7 et de la première détection d’ondes gravitationnelles avec un modèle semi-analytique de formation des premières étoiles. Notre nouvelle méthode améliorant le calcul de la densité de colonne de H2 dans les simulations de la formation d’étoiles supermassives et de graines de trous noirs («effondrement direct») donne des probabilités pour former des graines massives de trous noirs qui sont plus d’un ordre de grandeur plus élevées que prédit précédemment. Nous trouvons que CR7 pourrait être le premier candidat à héberger un tel trou noir formé par effondrement direct et nous démentons l’existence initialement revendiquée d’une population stellaire massive primordial dans CR7. Nous calculons la densité des taux de fusion des trous noirs binaires des premières étoiles et leurs taux de détection avec aLIGO. Notre modèle démontre que les détections des ondes gravitationnelles à venir au cours des prochaines décennies permettront d’imposer des contraintes plus strictes sur les propriétés des premières étoiles et donc sur les scénarios de formation des premiers trous noirs. Nous développons un modèle analytique en 2D de la rétroaction des noyaux actifs de galaxie pour démontrer qu’un profil de disque plus réaliste réduit la quantité de gaz qui est éjectée du halo par rapport aux modèles 1D existants. La rétroaction empêche l’accretion de gaz sur le trou noir central pendant seulement ∼ 1 million d’année environ, ce qui permet une accretion de 4:8 gaz presque continue dans le plan du disque. Notre modèle donne une corrélation de MBH / σ entre la masse du trou noir et la dispersion des vitesses stellaires de la galaxie hôte, en concordance avec les observations. Dans le dernier chapitre, nous concluons en résumant nos résultats et en présentant les perspectives de recherche futures. Contents 1 Introduction 10 1.1 Motivation............................................ 10 1.2 Cosmological structure formation................................ 11 1.2.1 Cosmological framework................................. 11 1.2.2 Thermal and chemical evolution............................ 13 1.2.3 Jeans analysis....................................... 14 1.2.4 Non-linear structure formation............................. 16 1.3 Formation of the first stars................................... 17 1.3.1 Primordial chemistry................................... 19 1.3.2 Collapse of a primordial cloud.............................. 20 1.3.3 Fragmentation...................................... 21 1.3.4 Evolution of protostars................................. 23 1.3.5 Observational signatures of the first stars....................... 25 1.4 Formation of the first supermassive black holes........................ 26 1.4.1 Observations....................................... 26 1.4.2 Seed formation scenarios................................. 28 1.4.3 Mass accretion and AGN feedback........................... 30 2 Improving H2 Self-Shielding 33 2.1 Motivation............................................ 33 2.2 Methodology........................................... 33 2.2.1 Moving-mesh code AREPO............................... 34 2.2.2 Initial conditions..................................... 35 2.2.3 Chemistry......................................... 36 2.2.4 H2 self-shielding..................................... 37 2.3 Results............................................... 40 2.3.1 Determination of Jcrit .................................. 41 2.3.2 Differences in the H2 self-shielding........................... 43 2.3.3 Impossibility of a simple correction factor....................... 46 2.3.4 Effect of damping wings................................. 47 2.3.5 Mass infall rate...................................... 49 2.4 Caveats.............................................. 51 2.4.1 Stellar spectrum..................................... 51 2.4.2 Resolution......................................... 52 2.4.3 Photochemistry...................................... 52 2.5 Conclusions............................................ 53 7 Contents 3 Gravitational waves from the remnants of the first stars 54 3.1 Introduction............................................ 54 3.2 Methodology........................................... 56 3.2.1 Self-consistent Pop III star formation......................... 56 3.2.2 Binary sampling and evolution............................. 57 3.2.3 Detectability....................................... 60 3.3 Results............................................... 61 3.4 Discussion............................................. 64 4 Exploring the nature of the Lyman-α emitter CR7 66 4.1 Introduction............................................ 66 4.2 Observational constraints.................................... 67 4.3 Methodology..........................................