[論文レビュー] Evidence for the connection between star formation rate and evolutionary phases of quasars

Zhifu Chen, Zhicheng He+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用数 44

ひとこと要約

本研究では、SDSS DR16データを用いて、さまざまなバルク吸収線（BAL）タイプ（LoBAL、HiBAL、non-BAL）に分類されたクェーサー宿主銀河における星形成率（SFR）の代理指標として、[O II]/[Ne V]発光線の線幅比を用いる。SFRはLoBALからHiBALにかけて低下し、その後non-BALにかけて回復する傾向を示し、これは、吹き出しによる星形成の一時的抑制の後に回復するという進化的段階を支持するものであり、クェーサー駆動吹き出しによる負の全体的フィードバックを示している。

ABSTRACT

Both theory and observations suggest that outflows driven by an active central supermassive black hole (SMBH) has a feedback effect on shaping the global properties of the host galaxy. However, whether feedback from the outflow is effective, and if so, whether it is positive or negative, has long been controversial. Here, using the latest catalog from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), we use the flux ratio of the [O II] to [Ne V] emission lines as a proxy to compare the star formation rate (SFR) in the hosts of quasars with different types of broad absorption lines (BALs): low-ionization (Lo)BAL, high-ionization (Hi)BAL, and non-BAL. We find that SFR decreases from LoBAL to HiBAL quasars, and then increases from HiBAL to non-BAL quasars. Assuming that the sequence of LoBAL to HiBAL to non-BAL represents evolution, our results are consistent with a quenching and subsequent rebound of star formation in quasar host galaxies. This phenomenon can be explained that the SFR is suppressed by the outflow, which then rebounds once the outflow disappears as the quasars evolve from HiBALs to non-BALs. Our result suggests that the quasar outflow has a negative global feedback on galaxy evolution.

研究の動機と目的

• クェーサーの進化段階と星形成率（SFR）の関係を調査すること。
• クェーサー吹き出しによる宿主銀河の星形成に負のフィードバック効果が及ぶかどうかを検証すること。
• 観測されたBALタイプ（LoBAL、HiBAL、non-BAL）が、別個の進化段階を表しているかどうかを特定すること。
• 異なるBAL分類を持つクェーサーにおいて、[O II]/[Ne V]線幅比をSFRの代理指標として用いること。

提案手法

• SDSS DR16クェーサー・カタログから、407個のLoBAL、714個のHiBAL、14,144個のnon-BALクェーサーを収集した。
• 各BALタイプごとに中央値合成スペクトルを構築し、発光線特徴を分析した。
• SFRの代理指標として、線幅比 R = EW[O II]/EW[Ne V] を用い、Rが大きいほどSFRが高いことを示した。
• LoBALおよびHiBALクェーサーのチリの赤化補正に、Small Magellanic Cloudの減光則を適用した。
• HiBALクェーサーをC IV BAL線の等価幅（EWBAL_C IV）でビニングし、HiBAL段階内でのSFRの進化を追跡した。
• 各BALタイプおよびビン間でのRの差異を評価するため、統計的有意性テスト（Nσ）を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成率（SFR）は、異なるBALクェーサー・タイプ（LoBAL、HiBAL、non-BAL）で系統的に変化するか？
• RQ2 観測されたSFRの変化は、LoBALからnon-BALへの進化的段階と整合的か？
• RQ3 C IVのバルク吸収線の強度は、HiBAL段階内でのSFRの進化と相関するか？
• RQ4 [O II]/[Ne V]線幅比は、衝撃や線幅領域の多様性による汚染の可能性があるにもかかわらず、クェーサー宿主銀河におけるSFRを信頼性高く追跡できるか？
• RQ5 観測されたSFRの進化は、方向依存モデルよりも進化的シナリオによってよりよく説明できるか？

主な発見

• [O II]/[Ne V]線幅比Rは、LoBALからHiBALにかけて顕著に低下し（R = 2.228 ± 0.158 → R = 0.668 ± 0.039）、SFRの著しい低下を示唆する（9.6σの有意性）。
• RはHiBALからnon-BALにかけて再び上昇し（R = 1.002 ± 0.013）、SFRの顕著な回復を示し、抑制の後に回復する兆候を示している（8.1σの有意性）。
• HiBALサンプル内では、RはC IV BAL線の等価幅が増加するにつれて低下し（EWBAL_C IV > 25 Åで1.779 ± 0.282、10–15 Åで0.597 ± 0.066）、強い吹き出し段階でSFRが抑制されていることを示している。
• SFRの回復は、EWBAL_C IVが10 Å未満に低下した段階で開始しており、この段階で吹き出しの抑制効果が弱まることを示唆している。
• [Ne V]の弱体化補正後でも、LoBALのRはHiBALよりも顕著に高い（10σの有意性）ことが確認され、LoBAL宿主銀河におけるSFRの増強を裏付けた。
• SFRの傾向は、ブラックホール質量に依存せず、MBHが≤10^8.5、10^8.5–10^9.0、≥10^9.0 M⊙の3つのビンにわたり一貫しており、結果の頑健性を支持している。