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Gravitational instability and fragmentation of self-gravitating accretion disks

Britsch, Markward

German Title: Gravitationsinstabilität und Fragmentation von eigengravitierenden Akkretionsscheiben

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Abstract

We know from observations that supermassive black holes (SMBH) of masses up to $10^{10} \msol$ existed in quasars when the universe was only about $10^9$ years old. The rapid formation of SMBHs can be understood as the outcome of the collision of two large gas-rich galaxies followed by disk accretion. This model relies on a large enough turbulent viscosity in the disk. We show in a linear stability analysis of thin self-gravitating viscous disks that the gravitational instability can drive a turbulence generating the $\beta$-viscosity. For simulating a self-gravitating accretion disk in polar coordinates the hydrodynamics code NIRVANA2.0 is adapted for our needs which includes cooling. The results are disk fragmentation, strong accretion at the inner radial boundary of the calculation domain and strong outflow at the outer boundary which both come about by interactions between clumps. The accretion time scale for a disk mass of $6\ex{8} \msol$ in a radial extent of $29 \pc$ to $126 \pc$ is about $1.2\ex{7} \yr$, corresponding to a viscosity parameter $\beta \approx 0.04$. We can confirm the $\beta$-viscosity interpretation by the turbulent velocity and length scale and by the scaling of the accretion time scale. All this supports the SMBH-formation model.

Translation of abstract (German)

Wir wissen von Beobachtungen, dass supermasse\-rei\-che Schwarze L\"ocher (SMBH) mit Massen von bis zu $10^{10} \msol$ schon in Quasaren existierten als das Universum nur etwa $10^9$ Jahre alt war. Das schnelle Entstehen der SMBHs kann als Produkt einer Kollision zwischen zwei gro\ss en gas\-rei\-chen Galaxien mit anschlie\ss ender Scheibenakkretion verstanden werden. Dieses Mo\-dell braucht eine turbulente Viskosit\"at der Scheibe, die gro\ss \ genug ist. Wir zeigen mittels einer linearen Stabilit\"atsanalyse f\"ur d\"unne eigengravitierende viskose Scheiben, dass die Gravitationsinstabilit\"at eine Turbulenz antreiben kann, die die $\beta$-Viskosit\"at erzeugt. Um eigengravitierende Akkretionsscheiben in Polarkoordinaten zu simulieren haben wir den Hydrodynamik Code \nir\ f\"ur unsere Zwecke umge\"andert, was auch K\"uhlung beinhaltet. Die Ergebnisse sind Scheibenfragmentation, starke Akkretion am radialen Innenrand und starker Ausfluss am Au\ss enrand des Rechengebietes. Beides kommt durch Wechselwirkung zwischen Klumpen zustande. Die Akkretionszeitskala f\"ur Scheibenmassen von $6\ex{8} \msol$ in radialer Ausdehnung von 29 pc bis 126 pc liegt bei etwa $1.2\ex{7} \yr$, was einem Viskosit\"atsparameter $\beta \approx 0.04$ entspricht. Wir k\"onnen die $\beta$-Viskosit\"atsinterpretation durch die turbulente Geschwindigkeit und L\"angenskala, und dadurch wie die viskose Zeitskala skaliert, best\"atigen. Dies alles st\"utzt auch das SMBH-Entstehungsmodell.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Duschl, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 15 November 2006
Date Deposited: 23 Nov 2006 09:35
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > Institute of Theoretical Astrophysics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Akkretionsscheibe, Turbulente Strömung, Schwarzes Loch, Hydrodynamik, Aktiver galaktischer Kern
Uncontrolled Keywords: Super Massereiche Schwarze Löchersupermassive black holes (SMBH)
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