[論文レビュー] Co-evolution of elliptical galaxies and their central black holes. Clues from their scaling laws

Luca Ciotti|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 293被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、楕円銀河とその中心に位置する超大質量ブラックホール（SMBH）の整合的で共進化的なシナリオを提唱し、特にマゴリアン関係およびM_BH–σ関係といったスケーリング則が宇宙の歴史を通じて維持されなければならないことを強調している。SMBHのフィードバックが星の質量損失に起因する過剰な降着を防ぐために不可欠であると主張し、z ≈ 1–2における超高密度の初期銀河は、高赤方偏移においてM_BH–σ関係の正規化が低くなることを示唆しており、ドライ合体が構造的進化を駆動するならば、現在の局所的関係に反するものとなる。

ABSTRACT

After the discovery that supermassive black holes (SMBHs) are ubiquitous at the center of stellar spheroids and that their mass Mbh, in the range 10^6-10^9 Msun, is tightly related to global properties of the host stellar system, the idea of the co-evolution of elliptical galaxies and of their SMBHs has become a central topic of modern astrophysics. Here, I summarize some consequences that can be derived from the galaxy Scaling Laws (SLs) and present a coherent scenario for the formation and evolution of elliptical galaxies and their central SMBHs, focusing in particular on the establishment and maintenance of their SLs. In particular, after a first observationally based part, the discussion focuses on the physical interpretation of the Fundamental Plane. Then, two important processes in principle able to destroy the galaxy and SMBH SLs, namely galaxy merging and cooling flows, are analyzed. Arguments supporting the necessity to clearly distinguish between the origin and maintenance of the different SLs, and the unavoidable occurrence of SMBH feedback on the galaxy ISM in the late stages of galaxy evolution (when elliptical galaxies are sometimes considered as ``dead, red objects''), are then presented. At the end of the paper I will discuss some implications of the recent discovery of super-dense ellipticals in the distant Universe. In particular, I will argue that, if confirmed, these new observations would lead to the conclusion that at early epochs a relation between the stellar mass of the galaxy and the mass of the central SMBH should hold, consistent with the present day Magorrian relation, while the proportionality coefficient between Mbh and the scale of velocity dispersion of the hosting spheroids should be significantly smaller than that at the present epoch.

研究の動機と目的

• 楕円銀河とその中心に位置するSMBHの観測されたきわめてきついスケーリング則を、銀河形成および進化のシナリオと調和させること。
• スケーリング則の起源と長期的維持の違い、特に基本平面およびM_BH–σ関係について明確にすること。
• SMBHフィードバックが、活発な星形成期に限らず、銀河の全生涯を通じて必要不可欠であると主張し、星の質量損失に起因する過剰降着を防ぐこと。
• z ≈ 1–2における超高密度楕円銀河の最近の観測結果を、初期宇宙におけるM_BH–σ関係が異なるものであった証拠と解釈し、比例係数の進化を示唆すること。
• ドライ合体が高赤方偏移の高密度銀河を拡大させつつも、マゴリアン関係は保持するが、局所的M_BH–σ関係に反するという役割を評価すること。

提案手法

• ファーバー＝ジャクソン、コルメンディ、基本平面、Mg2–σ、色–σといった観測的スケーリング則を分析し、初期型銀河の構造的および動力学的均一性を推論する。
• 銀河–SMBH共進化モデルの基盤として、マゴリアン関係（M_BH ∝ M_*）およびM_BH–σ関係を用いる。
• 宇宙論的時間にわたる星の質量損失（全質量の30％以上）がSMBHの燃料供給に与える影響を評価し、フィードバックがなければBH質量が著しく異なることを示す。
• 動的時​​間スケールに関する物理的議論を用いて、高赤方偏移銀河における構造的拡張の原因として、内部プロセス（例：リラクゼーション）を除外する。
• ドライ合体を、超高密度銀河の拡張の主なメカニズムとして提案し、M_BH–M_*は保持されるがM_BH–σは変化する。
• 高赤方偏移における超高密度銀河の予想されるM_BH–σ関係と局所的関係を比較し、固定された質量に対して速度分散が高いため、ゼロ点が低くなると予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の質量損失が続く宇宙の歴史を通じて、楕円銀河とその中心SMBHの観測されたスケーリング則をどのように維持できるのか？
• RQ2 なぜSMBHフィードバックは、銀河の活性期に限らず、その全進化歴を通じて必要不可欠なのか？
• RQ3 中心密度が極めて高いにもかかわらず、z ≈ 1–2における超高密度楕円銀河の拡張を説明するメカニズムは何か？
• RQ4 もし超高密度銀河が現在の楕円銀河の前身であれば、高赤方偏移におけるM_BH–σ関係は局所的関係とどのように異なるのだろうか？
• RQ5 ドライ合体は、初期型銀河の構造的進化とマゴリアン関係の保持を説明できるが、同時に局所的M_BH–σ関係に反するものとできるのだろうか？

主な発見

• 宇宙論的時間にわたる星の質量損失（全質量の30％以上）は、効果的なフィードバックがなければ、SMBHの過剰降着を引き起こすため、SMBHフィードバックが継続的に作用している必要があると示唆する。
• 局所的宇宙における観測されたM_BH–σ関係は、再利用された星のガスによる降着だけでは説明できない。フィードバックが極めて効率的かつ持続的でなければ成立しない。
• z ≈ 1–2における超高密度楕円銀河が確認された場合、M_BH–σ関係の正規化（ゼロ点）は、現在と比べて初期宇宙で顕著に低かったことを示唆する。
• ドライ合体は、高赤方偏移の高密度銀河を拡張させる最も妥当なメカニズムである。内部プロセスは、このような構造的進化を引き起こすにはあまりに遅い。
• 超高密度銀河がドライ合体によって現在の楕円銀河に進化する場合、高赤方偏移においてはマゴリアン関係（M_BH ∝ M_*）に従っていたが、固定されたM_*に対してσ_0が高いため、局所的M_BH–σ関係に反する結果となる。
• したがって、局所的宇宙における観測されたM_BH–σ関係は、初期条件ではなく、晩期の進化の結果であり、そのゼロ点は宇宙の歴史を通じて変化した可能性がある。