From the first stars to the first black holes Rosa - PowerPoint PPT Presentation

From ¡the ¡first ¡stars ¡to ¡the ¡first ¡black ¡holes ¡ Rosa ¡Valiante 1 ¡ In ¡collabora*on ¡with: ¡ ¡ Raffaella ¡Schneider 1 , ¡Marta ¡Volonteri 2 , ¡Kazuyuki ¡Omukai 3 ¡ ¡ 1 ¡ INAF-­‑Observatory ¡of ¡Rome ¡ 2 ¡ CNRS, ¡UMR ¡7095, ¡Ins*tut ¡dAstrophysique ¡de ¡Paris ¡ 3 ¡Astronomical ¡Ins;tute, ¡Tohoku ¡University ¡ FIRST � the first stars and galaxies �

The ¡first ¡Super-­‑Massive ¡Black ¡Holes ¡ Valiante, ¡Agarwal,Habouzit,Pezzulli ¡PASA ¡review ¡in ¡prep. ¡ 1.2×10 10 ¡ M sun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ SDSSJ0100 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ the ¡most ¡massive ¡ 2×10 9 ¡ M sun ¡ ¡ ¡ ¡ ULASJ1120 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡most ¡distant ¡ ¡ ¡ ¡ z>6 ¡SMBHs ¡are ¡as ¡massive ¡as ¡the ¡largest ¡SMBHs ¡observed ¡toady ¡ ¡ BUT ¡must ¡have ¡formed ¡in ¡< ¡ ∼ 1 ¡Gyr ¡

The ¡first ¡Super-­‑Massive ¡Black ¡Holes ¡ Valiante, ¡Agarwal,Habouzit,Pezzulli ¡PASA ¡review ¡in ¡prep. ¡ 1.2×10 10 ¡ M sun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ SDSSJ0100 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ the ¡most ¡massive ¡ 2×10 9 ¡ M sun ¡ ¡ ¡ ¡ ULASJ1120 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡most ¡distant ¡ ¡ ¡ ¡ WHAT ¡IS ¡THE ¡NATURE ¡OF ¡THE ¡FIRST ¡SMBHS? ¡ HOW ¡AND ¡WHEN ¡THEIR ¡SEED ¡PROGENITORS ¡FORM? ¡ HOW ¡DO ¡THEY ¡RAPIDLY ¡GROW ¡UP ¡TO ¡> ¡10 9 ¡M sun ? ¡ z>6 ¡SMBHs ¡are ¡as ¡massive ¡as ¡the ¡largest ¡SMBHs ¡observed ¡toady ¡ ¡ BUT ¡must ¡have ¡formed ¡in ¡< ¡ ∼ 1 ¡Gyr ¡

Pathways ¡to ¡the ¡first ¡“seed” ¡BHs ¡ T<10 4 ¡K ¡ T>10 4 ¡K ¡ Z ¡< ¡Z cr ¡ J LW >J cr ¡ M seed ¡up ¡to ¡100-­‑300 ¡M sun ¡ Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡ Direct ¡collapse ¡ BHs ¡ adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡

Pathways ¡to ¡the ¡first ¡“seed” ¡BHs ¡ T<10 4 ¡K ¡ T>10 4 ¡K ¡ Z ¡< ¡Z cr ¡ Accre*on ¡*me ¡scale: ¡ J LW >J cr ¡ ε=0.1 ¡ f Edd =L Edd /L ¡ M seed ¡up ¡to ¡100-­‑300 ¡M sun ¡ Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ z=20 ¡ à ¡z=7 ¡ ¡ ¡Δt=0.67 ¡Gyr ¡ ¡ ¡ M fin (z=7) ¡= ¡2×10 9 ¡M sun ¡ Volonteri ¡2003 ¡ M in =10 2 ¡M sun ¡ à à ¡t acc ¡≈ ¡0.8 ¡Gyr ¡at ¡L=L edd ¡ ¡ Direct ¡collapse ¡ BHs ¡ adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡

Pathways ¡to ¡the ¡first ¡“seed” ¡BHs ¡ T<10 4 ¡K ¡ T>10 4 ¡K ¡ Z ¡< ¡Z cr ¡ Accre*on ¡*me ¡scale: ¡ J LW >J cr ¡ ε=0.1 ¡ f Edd =L Edd /L ¡ M seed ¡up ¡to ¡100-­‑300 ¡M sun ¡ Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ z=20 ¡ à ¡z=7 ¡ ¡ ¡Δt=0.67 ¡Gyr ¡ ¡ ¡ M fin (z=7) ¡= ¡2×10 9 ¡M sun ¡ Volonteri ¡2003 ¡ M in =10 2 ¡M sun ¡ à à ¡t acc ¡≈ ¡0.8 ¡Gyr ¡at ¡L=L edd ¡ ¡ Direct ¡collapse ¡ BHs ¡ uninterrupted ¡accrebon ¡at ¡Eddington ¡rate ¡ ¡ or ¡super-­‑Eddington ¡accrebon ¡ ¡ à à ¡see ¡E. ¡Pezzulli’s ¡talk ¡ ¡ adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡

Pathways ¡to ¡the ¡first ¡“seed” ¡BHs ¡ T<10 4 ¡K ¡ T>10 4 ¡K ¡ Z ¡< ¡Z cr ¡ J LW >J cr ¡ M seed ¡up ¡to ¡100-­‑300 ¡M sun ¡ Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡ Direct ¡ ¡ collapse ¡BHs ¡ M seed ≈10 3 -­‑10 4 ¡M sun ¡ M seed ≈10 4 -­‑10 6 ¡M sun ¡ Devecchi ¡& ¡Volonteri ¡2009; ¡ ¡ Volonteri ¡et ¡al. ¡2008; ¡ ¡ adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡ Ferrara ¡et ¡al. ¡2014 ¡

“Light” ¡ ¡VS ¡“ heavy” ¡seed ¡BHs ¡ T<10 4 ¡K ¡ T>10 4 ¡K ¡ Z ¡< ¡Z cr ¡ J LW >J cr ¡ M seed ¡up ¡to ¡100-­‑300 ¡M sun ¡ Madau ¡& ¡Rees ¡2001; ¡Heger ¡et ¡al. ¡2003; ¡ Volonteri ¡2003 ¡ Direct ¡ ¡ “Light ¡seeds” ¡ collapse ¡BHs ¡ “Heavy ¡seeds” ¡ 10 5 ¡M sun ¡ M seed ≈10 3 -­‑10 4 ¡M sun ¡ M seed ≈10 4 -­‑10 6 ¡M sun ¡ Devecchi ¡& ¡Volonteri ¡2009; ¡ ¡ Volonteri ¡et ¡al. ¡2008; ¡ ¡ adapted ¡from ¡Volonteri ¡2010 ¡ Ferrara ¡et ¡al. ¡2014 ¡

The ¡test ¡case: ¡SDSS ¡J1148 ¡at ¡z=6.4 ¡ M BH ~ ¡3×10 9 ¡M sun ¡ (Barth ¡et ¡al ¡2003; ¡ Willoo ¡et ¡al. ¡2003) ¡ M h (z=6.4)=10 13 ¡M sun ¡ (Fan ¡et ¡al. ¡2004) ¡ J1148: ¡one ¡of ¡the ¡most ¡distant ¡and ¡best ¡studied ¡quasar ¡ GAMETE/QSOdust ¡well ¡reproduce ¡its ¡host ¡galaxy ¡properbes ¡ Valiante ¡et ¡al. ¡2011, ¡2012, ¡2014, ¡2016, ¡Pezzulli ¡et ¡al. ¡2016 ¡

GAlaxy ¡Merger ¡Tree ¡& ¡Evolubon: ¡high-­‑z ¡QSOs ¡ star ¡formabon: ¡ ¡ PopIII/II ¡SF ¡via ¡quiescent/burst ¡mode ¡ ¡ in ¡mini-­‑ ¡and ¡Lyα-­‑halos ¡ z~25 ¡ ¡ seed ¡BHs ¡formabon: ¡ Pop ¡III ¡remnants ¡(10 2 ¡ ¡M sun ) ¡& ¡ DCBHs ¡(10 5 ¡M sun ) ¡ ¡ BH ¡growth: ¡ ¡ Eddington-­‑limited ¡accre*on ¡ ¡ and ¡mergers ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ z~6 ¡ Valiante ¡et ¡al. ¡series ¡2011-­‑2016 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Pezzulli ¡et ¡al. ¡2016 ¡

GAlaxy ¡Merger ¡Tree ¡& ¡Evolubon: ¡high-­‑z ¡QSOs ¡ star ¡formabon: ¡ ¡ PopIII/II ¡SF ¡via ¡quiescent/burst ¡mode ¡ ¡ in ¡mini-­‑ ¡and ¡Lyα-­‑halos ¡ z~25 ¡ ¡ seed ¡BHs ¡formabon: ¡ Pop ¡III ¡remnants ¡(10 2 ¡ ¡M sun ) ¡& ¡ DCBHs ¡(10 5 ¡M sun ) ¡ ¡ BH ¡growth: ¡ ¡ Eddington-­‑limited ¡accre*on ¡ ¡ and ¡mergers ¡ ¡ ¡ ¡ mechanical ¡feedback: ¡ ¡ BH/SN ¡energy-­‑driven ¡winds ¡ chemical ¡feedback: ¡ ¡ z~6 ¡ dust ¡and ¡metals ¡enrichment ¡ ¡ ¡ radiabve ¡feedback: ¡ ¡ stellar ¡and ¡AGN ¡UV ¡emission ¡ ¡ ¡ ¡ Valiante ¡et ¡al. ¡series ¡2011-­‑2016 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Pezzulli ¡et ¡al. ¡2016 ¡

Forming ¡the ¡first ¡stars ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡ IMF ¡= ¡ ¡ Z ISM ¡< ¡Z cr ≈10 -­‑4 ¡Z sun ¡ à à ¡Pop ¡III ¡stars ¡ Z ISM ¡≥ ¡Z cr ≈10 -­‑4 ¡Z sun ¡ à à ¡Pop ¡II ¡stars ¡ (Schneider ¡et ¡al. ¡2001; ¡2002; ¡2003) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(Schneider ¡et ¡al. ¡2001; ¡2002; ¡2003) ¡ ¡ ¡ m ch ¡ = ¡0.35 ¡M sun ¡and ¡0.1 ¡≤ ¡m ★ /M sun ¡ ≤ ¡100 ¡ m ch ¡ = ¡20 ¡M sun ¡and ¡10 ¡≤ ¡m ★ /M sun ¡ ≤ ¡300 ¡ ¡ ¡ Pop ¡III ¡IMF ¡Stochas*c ¡sampling: ¡randomly ¡selected ¡stars ¡ ¡ M star ¡= ¡10 2 ¡M sun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M star ¡= ¡5×10 3 ¡M sun ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M star ¡=1.6×10 5 ¡M sun ¡

Radiabve ¡feedback ¡ LW ¡flux ¡in ¡V com =50 ¡Mpc 3 ¡ stars ¡ AGN ¡ HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡

Radiabve ¡feedback ¡ LW ¡flux ¡in ¡V com =50 ¡Mpc 3 ¡ J 21 =10 3 ¡ J 21 =300 ¡ J 21 =30 ¡ stars ¡ AGN ¡ HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡

Radiabve ¡feedback ¡ LW ¡flux ¡in ¡V com =50 ¡Mpc 3 ¡ Minimum ¡mass ¡of ¡star ¡forming ¡halos ¡ J 21 =10 3 ¡ J 21 =300 ¡ J 21 =30 ¡ stars ¡ AGN ¡ mini-­‑halos ¡ HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡

Radiabve ¡feedback ¡ LW ¡flux ¡in ¡V com =50 ¡Mpc 3 ¡ Minimum ¡mass ¡of ¡star ¡forming ¡halos ¡ J 21 =10 3 ¡ J 21 =300 ¡ J 21 =30 ¡ stars ¡ AGN ¡ photo-­‑dissociabon ¡ HII ¡regions ¡filling ¡factor ¡ RV, ¡Schneider, ¡Volonteri, ¡Omukai. ¡2016 ¡