Origin of supermassive black holes. Predictions from different formation scenarios.

Abstract

It is possible to observe Nuclear Stars Clusters (NSCs) and Black Holes (BHs) in different galaxies observed in the Local Universe. Both objects may or may not coexist. But there is evidence that both are correlated with some of the global properties of galaxies (for example, cluster radius and stellar mass of the host galaxy or the correlation between the central BH and the velocity dispersion of the bulge). The difference between both objects lies in their nature, BHs are the densest objects in the Universe and it its impossible to obtain a direct measurement of their properties while NSCs are the densest star systems observed and, due to their emission, it is possible get more information. The question is whether these objects have a common origin or is it simply a coincidence that both coexist or take the place of the other depending on the type of the host galaxy. In this thesis, we implement a model of NSC formation in Galacticus, a semianalytical model for the formation and evolution of galaxies. Our model is based on the formation of NSCs as a result of the accumulation of gas in the center of galaxies. Additionally, we include a model for the formation of BH seeds based on the collapse of these clusters when they reach a critical mass. We also explore how this mechanism can affect the final distribution of black hole mass. To do this, we adjust the different free parameters in the model to reproduce the observed mass function of the NSCs. We start with the best baryon model of Galacticus and vary the relevant parameters for the evolution of the NSCs. We also explore the distribution of the different properties of the NSCs at the moment of collapse to study its impact. Our model is strongly dependent on the resolution of the simulation, which can lead to overestimations and underestimates in the NSC population predicted by the different models. The collapse of the NSCs is strongly favored when we consider a smaller percentage of the radius for the calculation of the critical mass, but the population of BHs still remains underestimated for the most massive, indicating that there are more formation scenarios to investigate.

Es posible observar Cúmulos de estrellas Nucleares (CNs) y Agujeros Negros (ANs) en distintas galaxias que pertenecen al universo local. Ambos objetos pueden coexistir o no, pero hay evidencia de que ambos se correlacionan con algunas de las propiedades globales de las galaxias (por ejemplo, el radio del cúmulo y la masa estelar de la galaxia anfitriona o la relación entre el AN central y la velocidad de dispersión del bulbo). La diferencia de ambos objetos radica en su naturaleza, los ANs son los objetos más densos del universo y es imposible obtener una medida directa de sus propiedades. Los CNs son los sistemas estelares más densos observados y, debido a su emisión, es posible obtener más información. La pregunta radica en si estos objectos tienen un origen en común o simplemente es coincidencia que ambos coexistan o tomen el lugar del otro dependiendo del tipo de la galaxia anfitriona. En esta tesis implementamos un modelo de formación de CNs en Galacticus, un modelo semianalítico para la formación y evolución de galaxias. Nuestro modelo se basa la formación de CNs como resultado de la acumulación de gas en el centro de las galaxias. Además, incluímos un modelo para la formación de semillas de ANs basado en el colapso de estos cúmulos cuando alcanzan una masa crítica. También exploramos como este mecanismo puede afectar la distribución final de la masa ANs. Para ello, ajustamos diferentes parámetros libres en el modelo para reproducir la distribución observada de las masas de los cúmulos nucleares. Comenzamos con el mejor modelo bariónico de Galacticus, variamos los parámetros relevantes para la evolución de los cúmulos. También exploramos la distribución de las diferentes propiedades de los cúmulos en el momento de colapso para estudiar su impacto. Nuestro modelo depende fuertemente de la resolución de la simulación, lo cual puede llevar a sobreestimaciones y subestimaciones en la población de los CNs predicha por los distintos modelos. El colapso de los cúmulos se ve fuertemente favorecido cuando consideramos un porcentaje menor del radio para el cálculo de la masa cŕitica, aún así la población de ANs permanece subestimada para los más masivos, indicando que hay más escenarios de formación por investigar.