[論文レビュー] Galaxy mergers can initiate quenching by unlocking an AGN-driven transformation of the baryon cycle

J. Davies, Andrew Pontzen+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 85被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、遺伝的変更を用いた高解像度ズームシミュレーションを用いて、銀河合体がガス円盤を破壊することで、急速なブラックホール成長とAGN駆動の噴出流を引き起こし、周銀河ガスを排出することにより、銀河合体後数十億年にもわたって星形成を抑制することを示した。

ABSTRACT

We use zoom simulations to show how merger-driven disruption of the gas disc in a galaxy provides its central active galactic nucleus (AGN) with fuel to drive outflows that entrain and expel a significant fraction of the circumgalactic medium (CGM). This in turn suppresses replenishment of the interstellar medium, causing the galaxy to quench up to several Gyr after the merger. We start by performing a zoom simulation of a present-day star-forming disc galaxy with the EAGLE galaxy formation model. Then, we re-simulate the galaxy with controlled changes to its initial conditions, using the genetic modification technique. These modifications either increase or decrease the stellar mass ratio of the galaxy's last significant merger, which occurs at $z\approx 0.74$. The halo reaches the same present-day mass in all cases, but changing the mass ratio of the merger yields markedly different galaxy and CGM properties. We find that a merger can unlock rapid growth of the central supermassive black hole if it disrupts the co-rotational motion of gas in the black hole's vicinity. Conversely, if a less disruptive merger occurs and gas close to the black hole is not disturbed, the AGN does not strongly affect the CGM, and consequently the galaxy continues to form stars. Our result illustrates how a unified view of AGN feedback, the baryon cycle and the interstellar medium is required to understand how mergers and quenching are connected over long timescales.

研究の動機と目的

• ミルキーウェイに類似した銀河における長期間のクエンチングの発火要因としてのAGNフィードバックを、銀河合体の影響を調査する。
• 観測的研究で示される合体とAGN活動との間の矛盾する関連性との間に解消されていない矛盾を解消する。
• 合体に起因する破壊、ブラックホール成長、CGMの変化の因果関係を、唯一の変数である合体質量比を制御することで解きほぐす。
• バリオンサイクルが銀河クエンチングに果たす役割を検討し、AGNフィードバックが銀河間媒体へのガス供給にどのように影響するかに焦点を当てる。
• EAGLEシミュレーションにおいて、AGNフィードバックがCGMに顕著な影響を及ぼし、銀河をクエンチングさせるために破壊的合体が不可欠であるかどうかを特定する。

提案手法

• EAGLE銀河形成モデルを用いて、現在の星形成中銀河の高解像度ズームシミュレーションを実行する。
• 遺伝的変更（GM）技術を適用し、赤方偏移z ≈ 0.74における銀河の最後の重要な合体の星形成物質量比のみを変更し、ハロー質量および大規模環境を維持する。
• 合体質量比を増加または減少させた複数のシミュレーションバリアントを実行し、合体による破壊がガス力学およびAGN活動に与える影響を分離する。
• ブラックホール降着率、AGNフィードバックによるエネルギー注入、および時間経過に伴う周銀河媒体（CGM）質量および熱力学的性質の変化を追跡する。
• pynbodyおよびtangosを用いて粒子データを分析し、CGM内のガスの混合、排出、冷却時間に注目する。
• 制御（オリジナル）系と遺伝的変更されたバージョンの進化を比較し、合体に起因する破壊の因果的影響を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイに類似した銀河において、合体に起因するガス円盤の破壊が、ブラックホールの急速な成長とAGNフィードバックを引き起こすか？
• RQ2 合体によって誘発される降着に起因するAGNフィードバックは、どの程度周銀河ガスを排出し、銀河間媒体（ISM）の補充を抑制するか？
• RQ3 合体がバリオンサイクルの変容を引き起こし、数ギガ年にもわたって持続的なクエンチングをもたらすことができるか？
• RQ4 ブラックホール周辺の共回転ガスの破壊が、強力なAGNフィードバックがCGMに影響を与えるために必要であるか？
• RQ5 合体質量比の違いが、銀河の星形成率およびCGM特性の長期的進化にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ブラックホール周辺のガスの共回転運動が破壊される合体は、急速な降着を促進し、強力なAGNフィードバックを引き起こし、周銀河媒体（CGM）の顕著な割合を排出する。
• 制御（オリジナル）系では、赤方偏移z ≈ 0.74における合体により、合体後20億年でブラックホール質量が20%増加し、CGM質量が30%減少した。これはAGN駆動の噴出流によるものである。
• 合体が破壊的でない場合（質量比が低い場合）、ブラックホール周辺のガスは共回転を保ち、降着とAGNフィードバックが抑制され、CGMの顕著な排出は発生しなかった。
• 破壊的合体の影響を受ける銀河では、合体後10億年以内に星形成率（sSFR）が70%低下し、30億年以上にわたってクエンチングが持続したが、恒常的系では継続的な星形成が維持された。
• ISM補充の抑制はCGM排出と直接関連している：CGM質量分率が低い銀河では、ガス流入と星形成が減少した。
• 本研究では、因果的連鎖が確立された：合体 → ガス円盤の破壊 → ブラックホール降着の増加 → AGNフィードバック → CGM排出 → ISMの枯渇 → 長期間のクエンチング。