Acreção a buracos negros supermassivos no universo presente

Abstract

Há evidências contundentes de que u ma parcela significativa das galáxias no universo presente hospedam buracos negros supermassivos que acretam gás a baixas taxas. Tal acreção origina os núcleos ativos de baixa luminosidade (LLAGNs), que constituem a população dominante de AGNs nas galáxias próximas. O objetivo deste trabalho é elucidar a natureza da fonte central dos LLAGNs, comparando diversos vínculos observacionais com as previsões de modelos para o processo de acreção. Para este fim, adotamos o modelo de escoamento acretivo favorecido para buracos negros "subalimentados", o ADAF (advectiondominated accretion fiow), que possui baixa eficiência radiativa ao contrário do disco de acreção fino que ocorre nos quasares distantes. Analisamos dois modelos físicos para a produção dos jatos nos ADAFs, nos quais a potência dos jatos depende do spin do buraco negro - o modelo de Blandford-Znajek e o modelo híbrido proposto por Meier - incorporando efeitos de relatividade geral. A nossa análise indica que a potência do jato é uma fração significativa da energia de repouso associada à massa acretada, quando o spin do buraço negro é alto. Aplicamos tais modelos a galáxias elípticas gigantes que hospedam LLAGNs e obtemos que os modelos explicam a natureza da correlação observada entre a taxa de acreção de Bondi e a potência do jato. Nossos resultados indicam que os buracos negros centrais nas galáxias elípticas próximas devem estar rotando rapidamente (a/M > 0.9). Nós modelamos as distribuições espectrais de energia (SEDs) de um conjunto de 17 LINERs (low ionization emission-line region). A partir da nossa modelagem, concluímos que a natureza das fontes centrais dos LINERs pode ser interpretada com sucesso no contexto do modelo ADAF, com a contribuição da emissão de um jato relativístico. Nossos resultados indicam que os LLAGNs produzem jatos intensos, nos quais. a potência cinética é maior que a luminosidade bolométrica. O seguinte cenário físico é favorecido para a origem da emissão nuclear dos LINERs. A emissão rádio (λ>1 mm) origina-se da radiação síncrotron do jato; no intervalo 1 mm - 100 µm, a emissão é dominada pela radiação síncrotron do ADAF; no intervalo 10µm - 1 µm,a radiação provém da emissão térmica do disco fino truncado. Dada a incerteza atual no conhecimento sobre a física dos plasmas nos ADAFs e jatos, diferentes cenários físicos são possíveis para explicar a origem da emissão raios X em LLAGNs: o ADAF, o jato ou uma combinação de ambos. Apresentamos também uma nova implementação do feedback devido aos jatos dos AGNs em simulações da formação de galáxias. Consideramos dois regimes de acreção dependendo da taxa de acreção: disco fino padrão e ADAF; apenas os ADAFs são responsáveis pela produção de jatos intensos. A nossa metodologia para o feedback foi implementada para simular a coevolução entre o buraco negro central e a sua galáxia hospedeira. Obtemos que para z > 1 o AGN é relativamente brilhante (acreção via disco fino) em relação à galáxia e produz jatos fracos. Para z < 1, a falta de gás para alimentar o buraco negro central faz com que o AGN torne-se praticamente "invisível" (acreção via ADAF) e a galáxia torna-se urna galáxia disco hospedando um LLAGN. Neste estágio, a produção de jatos intensos suprime parte da formação estelar na galáxia e regula a acreção de gás ao centro, criando ciclos de atividade do buraco negro central, onde há períodos em que a galáxia é inativa como a Via Láctea. As propriedades da galáxia simulada e da sua atividade nuclear estão em amplo acordo com as propriedades inferidas de observações.

There is compellíng evidence that a significant fraction of the present-day galaxies host supermassive black holes, which are accretíng gas at low rates. The accretion onto these black holes originates the low-Iuminosity active galactic nudei (LLAGNs), which constitute the dominant population of AGNs in nearby galaxies. Our goal in this thesis is to explain the nature of the central engines of LLAGNs, by comparing models for the black hole accretion with different observations. To trus end, we adopt the accretion model favored for "underfed" black holes, the advection-dominated accretion flow (ADAF), which has a low radiative efficíency unlike the standard thin accretion disks that explain distant quasars. We investigate two physical models for the jet production from ADAFs, in which the jet power is a function of the black hole spin - the dassical Blandford-Znajek model and a hybrid model developed by Meier - accoímting for relativistic effects. Our analysis indicates that when the black hole spin is high, the jet power is a significant fraction of the energy associated with the rest mass of material accreting onto the black hole. We apply these models to giant ellíptical galaxies hosting LLAGNs, and obtain that the models can explain the observed correlation between the Bondi accretion rates and the jet powers. Our results indicate that the central black holes in ellíptical galaxies are rapidly spinning (a/M > 0.9). We model the spectral energy distributions (SEDs) of a sample of 17 LINERs (low ionization emission-line regions). Our modeling shows that the observed SEDs are explained by ADAFs assocíated with relativistic jets, and that LLAGNs produce powerful jets for which the kinetic power exceeds the bolometric luminosity. The following physical scenario is favored to explain the nature of the nuclear emission of LINERs. The radio emission (λ>1 mm) is originated in the jet synchrotron radiation; in the wavelenght range 1 mm - 100 µm,the emission is dominated by the ADAF synchrotron radiation; over the range 10 µm- 1 µm,the main source of light is the thermal emission of the truncated thin disk. Given the uncertainties currently affecting our knowledge of the plasma physics of ADAFs and jets, different scenarios are possible to explain the origin of X-rays in LLAGNs: the ADAF, the jet or a combination of both. Finally, we present a new implementation of feedback due to black holes in simulations of galaxy formation. The novelty of our approach is that v/e consider two distinct accretion modes depending on the black hole accretion rate: thin accretion disks and ADAFs, the latter mode being able to produce powerful jets, which are a source of feedback. This prescription for the AGN feedback was incorporated in a cosmological simulation to investigate the interplay between galaxies and their central black holes during the formation of a disc galaxy. We find that for z > 1 the AGN is relatively bright (thin disk regime) compared to the galaxy and produces weak jets. For z < 1 the accretion rate onto the central black hole drops, the AGN is almost invisible (ADAF regime) and the galaxy becomes a disc galaxy hosting a LLAGN. At this point, the AGN feedback becomes efficient and suppresses star forination, regulating the mass accretion onto the black hole. As a result, the LLAGN has an "on-off" cycle of activity, in which the "off" phase corresponds to an inactive galaxy as our Milky Way. Several properties of the simulated galaxy and its nuclear activity are in broad agreement with observations.