Modeling supermassive black hole dynamics in galactic-scale numerical simulations

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2802-7
Title: Modeling supermassive black hole dynamics in galactic-scale numerical simulations
Author: Rantala, Antti
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-07-25
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2802-7
http://hdl.handle.net/10138/303285
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The presence of supermassive black holes (SMBHs) is ubiquitous in all massive galaxies in the local Universe. In the standard cosmological model, galaxies grow in a process of hierarchical merging and through accretion of matter from the intergalactic medium. Correspondingly, SMBHs grow by accreting gas from their surroundings and through merging with other SMBHs. Thus, present-day SMBHs are expected to have a complicated past merger history. Merging SMBHs leave imprints both on the central regions of their host galaxies and the gravitational wave background. In this thesis, which consists of four peer-reviewed publications, we investigate SMBH binary dynamics in realistic galactic environments and study the effect of merging SMBHs on their early-type host galaxies. For this research, a novel numerical simulation code KETJU was developed. The first two publications present the simulation code KETJU. The KETJU code combines the widely-used galactic-scale simulation code GADGET-3 and an extremely accurate small-scale SMBH dynamics integrator AR-CHAIN. The numerical methods used in KETJU and their practical implementation are thoroughly presented. In addition, we validate the performance of KETJU in comparison simulations with direct N-body codes used in the literature. The energy conservation of the code and parallel scaling behaviour are also demonstrated. We study the effect of the chosen stellar mass resolution on the evolution of the SMBH binaries in a series of galaxy merger simulations. We find that the dependence of the SMBH binary hardening rate on the mass resolution of the simulation is weaker if more realistic multi-component galaxy initial conditions are used. Finally, we show that with a proper treatment of SMBH dynamics in galactic-scale simulations, SMBH mergers are delayed by a few 100 million years compared to the SMBH merger criteria commonly used in the literature. The last two articles study the formation of large stellar cores in massive elliptical galaxies. Using KETJU, we run a series of early-type galaxy merger simulations with SMBHs to investigate the core scouring process responsible for creating cores in massive galaxies. We systematically study the effect of the initial SMBH mass and the initial stellar density profile slope on the surface brightness, the velocity anisotropy profiles and the core scaling relations of the merger remnant. Throughout the two studies we find that more cuspy initial stellar density profiles provide a better match to the final observed properties of core elliptical galaxies. We show that elliptical galaxies built up in a series of minor mergers have larger cores than major merger remnants, as expected, but on the other hand have less anisotropic velocity distributions in their core regions. Finally, we present a simple merger model which for the first time simultaneously produces an early-type galaxy with a flat central core, a tangentially biased central stellar population and kinematically decoupled central regions. These properties of cored early-type galaxies have previously been difficult to explain in one single formation scenario.Tähtitieteelliset havainnot ovat vahvistaneet että jokaisen massivisen galaksin keskustassa sijaitsee supermassiivinen musta aukko. Kosmologian standardimallissa galaksit kasvavat hierarkisesti törmäilemällä ja yhteensulautumalla muiden galaksien kanssa sekä vetämällä puoleensa kaasua galaksienvälisestä avaruudesta. Supermassiiviset mustat aukot kasvavat samaan tapaan: aukkoon päätyvä kaasu kasvattaa sen massaa, ja mustat aukot voivat myös yhteensulautua toistensa kanssa. Täten lähiavaruuden supermassiiviset mustat aukot ovat elinaikanaan yhteensulautuneet monien toisten supermassiivisten mustien aukkojen kanssa. Supermassiivisten mustien aukkojen yhteensulautumiset tuottavat voimakkaasti gravitaatiosäteilyä sekä muokkaavat galaksien keskusalueiden rakennetta. Tässä artikkeliväitöskirjassa tutkin supermassiivisten mustien aukkojen binäärien (vrt. kaksoistähti) ratadynamiikkaa massiivisten ellipsigalaksien keskustoissa sekä yhteensulautuvien binäärien vaikutusta emogalaksiinsa. Tutkimustyötä varten kehitettiin uusi numeerinen simulaatiokoodi KETJU. Artikkeliväitöskirjani sisältää neljä vertaisarvioitua julkaisua. Kaksi ensimmäistä julkaisua käsittelevät KETJU-koodin toimintaa. KETJU yhdistää laajasti käytetyn galaksisimulaatiokoodi GADGET-3:n erittäin tarkkaan AR-CHAIN-rataintegraattoriin, jota käytetään mustien aukkojen dynamiikan tutkimiseen. Artikkelit esittelevät KETJU:ssa käytetyt numeeriset menetelmät sekä niiden käytännön tason toteutuksen koodissa. KETJU:n numeerinen tarkkuus varmistetaan tarkastelemalla säilyviä fysikaalisia suureita ja vertaamalla simulaatiotuloksia kirjallisuudessa esiintyvien N:n kappaleen suorasummauskoodien tulosten kanssa. KETJU-koodin rinnakkaistuvuus supertietokoneissa tarkastetaan skaalautuvuustesteissä. Lisäksi tarkastelen galaksitörmäyssimulaatioiden massaresoluution vaikutusta binäärien rataelementtien evoluutioon. Simulaatiosarjan päätulos on että massaresoluution vaikutus rataelementtien evoluutioon on heikompi jos simulaatioiden galaksialkuehdot koostuvat realistisesta tähtikomponentista ja pimeän aineen halosta. Lisäksi osoitan että KETJU-koodilla ajetuissa simulaatioissa supermassiivisten mustien aukkojen yhteensulautuminen viivästyy sadoilla miljoonilla vuosilla verrattuna aikaisempiin yksinkertaisiin simulaatiomenetelmiin. Väitöskirjan kaksi viimeistä artikkelia keskittyvät massiivisten ellipsigalaksien keskusalueisiin. Ajan sarjan ellipsigalaksitörmäyssimulaatioita KETJU-koodia käyttäen tutkiakseni kuinka simulaatioissa syntyvät binäärit uurtavat syntyneen galaksin tähtikomponenttiin matalatiheyksisen core-alueen. Tutkin systemaattisesti alkuehtojen mustien aukkojen massan ja tähtikomponentin tiheysprofiilin vaikutusta syntyvän galaksin pintakirkkausjakaumaan, nopeusanisotropiaan sekä core-alueen ominaisuuksien korrelaatioihin. Tutkimusartikkelit osoittavat että jyrkemmät tähtikomponentin alkutiheysjakaumat johtavat paremmin havaittuja ellipsigalakseja vastaaviin tuloksiin. Useissa galaksitörmäyksissä syntyvillä simuloiduilla ellipsigalakseilla on suuremmat core-alueet, mutta core-alueen tähtien nopeusjakauma on isotrooppisempi kuin yhdessä törmäyksessä syntyneillä galakseilla. Väitöskirjan viimeisessä artikkelissa esitän yksinkertaisen galaksitörmäysmallin joka samanaikaisesti selittää core-ellipsigalaksien keskusosien kaikki keskeiset rakenneosat: matalan tiheyden, anisotropian sekä kinemaattisesti erillisten ja irtikytkeytyneiden komponenttien olemassaolon. Aikaisempien mallien on ollut hyvin vaikea selittää kaikki kolme core-galaksien ominaisuutta yhdellä muoduostumismekanismilla.
Subject: Astronomy
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Modeling.pdf 3.716Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record