Formation of supermassive black holes in galaxies through collisions in Nuclear Star Clusters

Abstract

En el centro de las galaxias se observan cúmulos nucleares de estrellas y/o agujeros negros super- masivos. Aunque cada objeto se encuentran en diferentes regímenes, es posible detectar ambos coexistiendo en galaxias con masas estelares ~ 10¹⁰ M⊙. En este trabajo, presentamos la implementación de un modelo de formación y evolución de cúmulos de estrellas nucleares en Galácticos, un código semianalítico diseñado para simular la formación y evolución de galaxias. Nuestro objetivo es explorar el papel de cúmulos durante la formación de los agujeros negros. Suponemos un escenario de formación estelar in-situ en el gas acumulado en el centro de la galaxia. Además, introducimos un modelo de colapso de los cúmulos, donde finalmente colapsan en una semilla de agujero negro al alcanzar una masa crítica donde las colisiones entre estrellas son relevantes dentro del cúmulo. Esta masa crítica se alcanza cuando la escala de tiempo de colisiones es más corta que la edad del sistema. Al explorar este escenario de colapso, nuestro objetivo es encontrar pistas sobre las posibles implicaciones en la población de agujeros negros. Nuestra investigación profundiza en coomo este escenario de colapso puede afectar la población general de agujeros negros, así como las conexiones entre el cúmulo, la galaxia anfitriona y el agujero negro central. En nuestros resultados encontramos la formación de semillas con masas entre 10³ — 10⁵ M⊙ a partir de este mecanismo.

Nuclear Star Clusters (NSCs) and/or Supermassive Black Holes (SMBHs) are observed in the center of galaxies. Although each object is found in different regimes, it is possible to find both of them coexisting in galaxies with stellar masses ~ 10¹⁰ M⊙. In this work we present an implementation of a NSC model in Galacticus, a semi-analytic code designed for simulating galaxy formation and evolution. Our focus is exploring the role of NSCs during the formation of SMBHs. We assume an in situ star formation scenario in the gas accumulated in the center of the galaxy. Moreover, we introduce a collapse model for NSCs, where they ultimately collapse into a BH seed upon reaching a critical mass for which collisions between stars become relevant within the cluster. This critical mass is reached when the collisional timescale is shorted than the age of the system. By exploring this collapse scenario, we aim to shed light on its potential implications for the resulting population of SMBHs. Our investigation delves into how this collapse scenario can impact the overall SMBH, as wel as the intricate connections between NSCs, galaxies, and SMBHs. This research provides insights into the formation and evolution of NSCs and their impact on the galactic and black hole environments. We find the formation of BH seeds with masses in the range 10³ — 10⁵ M☉.