[論文レビュー] A universal relation between the properties of supermassive black holes, galaxies, and dark matter halos

Antonino Marasco, G. Cresci+6 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、55個の近傍銀河において、超大質量ブラックホール質量（M_BH）、ダークマターハロー質量（M_h）、および星形成効率（f_★）の間の普遍的関係を確立した。M_BHとM_hは強く相関しており、f_★とは逆相関にある。このモデルは、M_h ≈ 10^12 M_⊙におけるM_BH–M_h関係の観測された折り返し点と、固定されたM_BHにおけるf_★とハッブル型の相関を、ΛCDMフレームワーク内でのフィードバック制御された降着によって説明する。

ABSTRACT

We study the relations between the mass of the central black hole (BH) $M_{ m BH}$, the dark matter halo mass $M_{ m h}$, and the stellar-to-halo mass fraction $f_\star\propto M_\star/M_{ m h}$ in a sample of $55$ nearby galaxies with dynamically measured $M_{ m BH}>10^6\,{ m M}_\odot$ and $M_{ m h}>5 imes10^{11}\,{ m M}_\odot$. The main improvement with respect to previous studies is that we consider both early- and late-type systems for which $M_{ m h}$ is determined either from globular cluster dynamics or from spatially resolved rotation curves. Independently of their structural properties, galaxies in our sample build a well defined sequence in the $M_{ m BH}$-$M_{ m h}$-$f_\star$ space. We find that: (i) $M_{ m h}$ and $M_{ m BH}$ strongly correlate with each other and anti-correlate with $f_\star$; (ii) there is a break in the slope of the $M_{ m BH}$-$M_{ m h}$ relation at $M_{ m h}$ of $10^{12}\,{ m M}_\odot$, and in the $f_\star$-$M_{ m BH}$ relation at $M_{ m BH}$ of $\sim10^7\!-\!10^8\,{ m M}_\odot$; (iii) at a fixed $M_{ m BH}$, galaxies with a larger $f_\star$ tend to occupy lighter halos and to have later morphological types. We show that the observed trends can be reproduced by a simple equilibrium model in the $\Lambda$CDM framework where galaxies smoothly accrete dark and baryonic matter at a cosmological rate, having their stellar and black hole build-up regulated both by the cooling of the available gas reservoir and by the negative feedback from star formation and active galactic nuclei (AGN). Feature (ii) arises as the BH population transits from a rapidly accreting phase to a more gentle and self-regulated growth, while scatter in the AGN feedback efficiency can account for feature (iii).

研究の動機と目的

• 近傍銀河における超大質量ブラックホール質量（M_BH）、ダークマターハロー質量（M_h）、および星形成効率（f_★）の間の普遍的関係を確立すること。
• 初期型銀河と後期型銀河が、M_BH–M_h–f_★空間で同じスケーリング則に従うかどうかを調査すること。
• 観測されたM_BH–M_h関係およびf_★–M_BH関係における折り返し点の物理的起源を特定すること。
• フィードバック効率の散らばりが、固定されたM_BHにおける観測相関を説明できるかどうかを検証すること。
• 観測されたスケーリング則を再現できる、ΛCDMフレームワーク内でのシンプルな平衡モデルを開発すること。

提案手法

• 動的測定によるM_BH > 10^6 M_⊙およびM_h > 5×10^11 M_⊙を満たす55個の近傍銀河のサンプルを用いた。
• 空間的に解像された回転曲線と球状星団の運動を用いて、プロキシーメソッドを避けて正確なM_h推定値を得た。
• M_BH–M_h–f_★パラメータ空間を分析し、相関関係と構造的折り返し点を同定した。
• 星形成とAGNからの冷却およびフィードバックによって制御される、宇宙論的降着レートでバリオンとダークマターが降着するΛCDMベースの平衡モデルを構築した。
• 観測された関係に一致させるために、星形成およびAGNフィードバック効率に関連する5つの自由パラメータを調整した。
• 急速な降着から自己制御的成長への遷移をシミュレートし、M_h ≈ 10^12 M_⊙における折り返し点を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M_BH、M_h、およびf_★の間には、多様な銀河タイプにわたる普遍的関係が存在するか？
• RQ2 M_h ≈ 10^12 M_⊙におけるM_BH–M_h関係の観測された折り返し点の原因は何か？
• RQ3 固定されたM_BHにおいて、f_★がより高い銀河はなぜより低質量のハローに位置し、より後期のハッブルT型を示すのか？
• RQ4 ΛCDMフレームワーク内でのフィードバック制御された降着が、観測されたスケーリング則とその散らばりを再現できるか？
• RQ5 フィードバック効率の違いが、固定されたM_BHにおける観測傾向をどのように説明するのか？

主な発見

• サンプル内の銀河は、M_BH–M_h–f_★空間において明確な一次元的シーケンスを形成しており、ブラックホール、ハロー、星形成物質の間の強い共進化を示している。
• M_BH–M_h関係には、M_h ≈ 10^12 M_⊙で顕著な折り返し点があり、低質量ハローでは勾配が急で、高質量ハローでは緩やかである。
• f_★–M_BH関係にも、M_BH ≈ 10^7–10^8 M_⊙で折り返し点が観測されており、急速な成長から自己制御的成長への遷移と整合的である。
• 固定されたM_BHにおいて、f_★がより高い銀河はより低質量のハローに位置し、より後期のハッブルT型を示しており、これはフィードバック効率が星形成効率（f_★）に影響を与えていることを示している。
• M_BH–M_h相関の強さは、M_BH–σ_e関係と同等であり、ハロー質量がブラックホール質量の強力な予測要因であることを示唆している。
• フィードバック制御された降着を含む、ΛCDMフレームワーク内でのシンプルな平衡モデルは、観測された折り返し点と傾向をうまく再現でき、折り返し点は急速な成長段階から自己制御的成長段階への遷移に起因する。