超爱丁顿外流的结构及其在宇宙学尺度上的影响

如何精确评估黑洞（BH）对其环境的反馈是黑洞天体物理学中的重大问题之一。为研究高红移超大质量黑洞（SMBH）种子周围超爱丁顿流的独特气体动力学，我们采用嵌套模拟盒方法进行了轴对称二维辐射流体动力学模拟。此处我们将模拟盒划分为内区 $(2 - 3 \times 10^3) r_{\rm{Sch}}$（其中 $r_{\rm Sch}$ 为史瓦西半径）和外区 $(2\times 10^{3} - 3\times 10^6) r_{\rm{Sch}}$，并对气体密度、速度和辐射能量等物理量进行平滑连接。我们以恒定速率 $\dot{M}_{\rm{inj}}=10^3L_{\rm{Edd}}/c^2$ 通过内区外边界注入质量来启动计算，其中 $L_{\rm{Edd}}$ 为爱丁顿光度，$c$ 为光速。在最内区产生一股强大的外流，并从内区传播至外区。外流的特征为：在接近边缘朝向（edge-on）方向速度为0.02$c$、密度为 $10^{-17}$ g cm$^{-3}$，在正面朝向（face-on）方向速度为0.7$c$、密度为 $10^{-19}$ g cm$^{-3}$。外流在传播过程中通过接受辐射压力而逐渐加速。最外边界处的最终质量外流率为 $\dot{M}_{\rm{out}}\sim 0.3 \times \dot{M}_{\rm{inj}}$。通过将外流结构外推至更大尺度，我们发现 $r \sim 0.1$ pc 处的动量通量和能量通量分别约为 $\sim 10-100 L_{\rm{Edd}}/c$ 和 $\sim 0.1-10 L_{\rm{Edd}}$。此外，我们发现影响具有高度各向异性：正面朝向方向比边缘朝向方向受到的影响更大。这些结果表明，BH反馈对星际介质的作用效率将高于宇宙学模拟中的假设。