[論文レビュー] Blowing out the Candle: How to Quench Galaxies at High Redshift -- an Ensemble of Rapid Starbursts, AGN Feedback and Environment

Lucas C. Kimmig, Rhea–Silvia Remus+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文は Magneticum Pathfinder のシミュレーションを用いて、z~3.4 における巨大なクエンチド銀河が急速で等方的なガス崩壊に伴う星爆発的星形成の後に AGN フィードバックによって抑制されることを示し、環境も長期的な抑制に影響を与える。

ABSTRACT

Recent observations with JWST and ALMA have revealed extremely massive quiescent galaxies at redshifts of z=3 and higher, indicating both rapid onset and quenching of star formation. Using the cosmological simulation suite Magneticum Pathfinder we reproduce the observed number densities and stellar masses, with 36 quenched galaxies of stellar mass larger than 3e10Msun at z=3.42. We find that these galaxies are quenched through a rapid burst of star-formation and subsequent AGN feedback caused by a particularly isotropic collapse of surrounding gas, occurring on timescales of around 200Myr or shorter. The resulting quenched galaxies host stellar components which are kinematically fast rotating and alpha-enhanced, while exhibiting a steeper metallicity and flatter age gradient compared to galaxies of similar stellar mass. The gas of the galaxies has been metal enriched and ejected. We find that quenched galaxies do not inhabit the densest nodes, but rather sit in local underdensities. We analyze observable metrics to predict future quenching at high redshifts, finding that on shorter timescales <500Myr the ratio M_bh/M_* is the best predictor, followed by the burstiness of the preceding star-formation, t50-t90 (time to go from 50% to 90% stellar mass). On longer timescales, >1Gyr, the environment becomes the strongest predictor, followed by t50-t90, indicating that at high redshifts the consumption of old and lack of new gas are more relevant for long-term prevention of star-formation than the presence of a massive AGN. We predict that relics of such high-z quenched galaxies should best be characterized by a strong alpha enhancement.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移（z > 3）で massive quiescent galaxies がどのように形成・抑制されるかを解明する。
• 急速な星爆発的星形成、AGN フィードバック、環境の抑制への役割を定量化する。
• シミュレーションで抑制された銀河と観測（数密度と恒星質量）の比較を行う。
• 抑制銀河と非抑制銀河の内部構造・化学的特徴を特徴づける。

提案手法

• (128 Mpc/h)^3 ボリュームと高質量・力学分解能を持つ Magneticum Pathfinder Box3 uhr 宇宙論水理シュミレーションを用いる。
• z=3.42 で SFR = 0 または同等に sSFR < 0.3/tHub の抑制銀河を照合として同定する。
• L-BaseTree を用いて z~15 から z=2 まで個々の組み立て史を追跡する。
• ガス密度・温度・金属量プロファイルを分析し、抑制とガス放出を研究し、等方的なガス崩壊シナリオを含めて検討する。
• 観測結果（JWST、ALMA、HST）と比較して、グローバルな星形成率密度と最大恒星質量の進化を評価する。
• 将来の抑制の観測的予測因子を検討し、Mbh/M* およびバースト性 t50–t90 を、<500 Myr および >1 Gyr の時間スケールで比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Magneticum シミュレーションにおいて、z ~ 3–4 の巨大銀河の急速抑制を駆動するメカニズムは何か？
• RQ2 急速な星爆発、AGN フィードバック、環境要因が抑制に個別および総合的にどのように寄与するか？
• RQ3 高赤方偏移での抑制銀河と非抑制銀河の構造・運動・化学的特徴は何か？
• RQ4 観測可能な指標は高赤方偏移銀河の将来の抑制時間スケールを予測できるか、短期と長期のスケールでどの要因が支配的か？

主な発見

• 抑制銀河（サンプル中の z=3.42 における約36銀河）は、等方的なガス崩壊と一致する急速な星爆発的星形成から生じ、続く強い AGN フィードバックによりガスが大きな半径まで放出される。
• 抑制中心銀河は運動的に速い回転を示し、α 要素過剰で、同程度の質量を持つ抑制されていない銀河と比較して金属量勾配が急で年齢勾配は flatter である。
• 抑制銀河は宇宙ウェブの最も高密度ノードではなく局所的な低密度域に存在する；環境は長期的な抑制に影響を与える。
• 短期間 (<500 Myr) では将来の抑制の最良の予測因子は Mbh/M* に続いて直前の星形成の burstiness（t50–t90）である。
• 1 Gyr を超える時間スケールでは環境が最も強い予測因子となり、続いて t50–t90 が、古いガスの消費と新鮮なガスの欠如がAGNの存在よりも長期的抑制を支配することを示唆している。
• 高赤方偏移抑制銀河の遺物は強い α-強化を示すと予想される。