[論文レビュー] Linking galaxy structural properties and star formation activity with IllustrisTNG

Mélanie Habouzit, Shy Genel+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、宇宙時間にわたる銀河の構造的性質と星形成活動、およびAGN活動を結びつけるために、IllustrisTNG宇宙論的シミュレーションを用いた。その結果、z~1.5–2におけるコンパクトな星形成銀河は最高のAGN割合（16–20%）を示し、コンパクトな停止銀河は最低の割合（6–10%）を示した。遮蔽補正を行った後、シミュレーションは観測と強い定量的・定性的一致を示したが、やや弱いAGNを過剰に予測し、明るいAGNを不足予測していた。

ABSTRACT

We study the connection between active galactic nuclei (AGN) and their host galaxies through cosmic time in the large-scale cosmological IllustrisTNG simulations. We first compare BH properties, i.e. the hard X-ray BH luminosity function, AGN galaxy occupation fraction, and distribution of Eddington ratios, to available observational constraints. The simulations produce a population of BHs in good agreement with observations, but we note an excess of faint AGN in hard X-ray (L_x ~ 10^{43-44} erg/s), and a lower number of bright AGN (L_x>10^{44} erg/s), a conclusion that varies quantitatively but not qualitatively with BH luminosity estimation method. The lower Eddington ratios of the 10^{9} Msun BHs compared to observations suggest that AGN feedback may be too efficient in this regime. We study galaxy star formation activity and structural properties, and design sample-dependent criteria to identify different galaxy types (star-forming/quiescent, extended/compact) that we apply both to the simulations and observations from the candels fields. We analyze how the simulated and observed galaxies populate the specific star formation rate - stellar mass surface density diagram. A large fraction of the z=0 M_{star}>10^{11} Msun quiescent galaxies first experienced a compaction phase (i.e. reduction of galaxy size) while still forming stars, and then a quenching event. We measure the dependence of AGN fraction on galaxies' locations in this diagram. After correcting the simulations with a redshift and AGN luminosity-dependent model for AGN obscuration, we find good qualitative and quantitative agreement with observations. The AGN fraction is the highest among compact star-forming galaxies (16-20% at z~1.5-2), and the lowest among compact quiescent galaxies (6-10% at z~1.5-2).

研究の動機と目的

• 大規模な宇宙論的シミュレーションを用いて、宇宙時間にわたる活動銀河核（AGN）とその主銀河の共進化を理解すること。
• IllustrisTNGシミュレーションが観測されたAGNおよび銀河の性質（BH放射度関数やEddington比）を正確に再現しているかどうかを検証すること。
• 銀河の構造的性質（サイズや表面密度など）が星形成活動およびAGN割合とどのように相関するかを調査すること。
• CANDELS領域からの観測データを用いて、特に特定星形成率–星質量表面密度図において、シミュレートされたAGN集団を補正・検証すること。
• AGN遮蔽効果をシミュレーションで補正することで、異なる銀河タイプにおける観測されたAGN割合との一致を高めること。

提案手法

• 大規模な宇宙論的制約に一致するようにフィードバックおよびAGN物理を調整したIllustrisTNGフレームワーク内で、銀河およびブラックホールの進化をシミュレートした。
• 観測データと比較して、BH性質（例：ハードX線放射度関数、占有率、Eddington比分布）を検証することで、モデルの妥当性を評価した。
• 星形成率および星質量表面密度に基づいて、銀河を星形成型か停止型、拡張型かコンパクト型に分類するためのサンプル依存の基準を定義した。
• シミュレートされた銀河と観測された銀河を特定星形成率–星質量表面密度図にマッピングし、構造的・進化的傾向を分析した。
• 赤方偏移および放射度に依存する遮蔽モデルを適用して、シミュレートされたAGN検出確率を補正し、観測されたAGN割合との整合性を高めた。
• AGN割合を構造的・星形成ダイアグラム上の銀河の位置関数として測定し、環境的および進化的依存性を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IllustrisTNGシミュレーションは、観測されたBH放射度関数およびEddington比分布をどの程度正確に再現しているか？
• RQ2 シミュレートされた銀河および観測された銀河において、銀河の構造的性質（サイズ、表面密度）と星形成活動の関係は何か？
• RQ3 シミュレーションおよび観測において、AGN割合は銀河タイプ（例：コンパクト対拡張、星形成対停止）によってどのように変化するか？
• RQ4 AGN遮蔽補正を施すことで、シミュレートされたAGN割合と観測されたAGN割合との一致はどの程度向上するか？
• RQ5 質量の大きな停止銀河はどのような進化的順序をたどり、AGN活動とどのように関連しているか？

主な発見

• シミュレーションは全体的なAGNおよび主銀河の性質をよく再現しているが、やや弱いAGN（L_x ~ 10^{43–44} erg/s）の数を過剰に予測し、明るいAGN（L_x > 10^{44} erg/s）の数を不足予測している。
• シミュレーションにおける10^9 MsunブラックホールのEddington比は観測値よりも低く、この質量領域ではAGNフィードバックがやや効率的すぎる可能性を示唆している。
• z=0におけるM_star > 10^11 Msunの停止銀河の多くは、まだ星形成を続けながらコンパクト化段階を経験しており、その後に停止した。
• 赤方偏移および放射度に依存する遮蔽補正を施した後、シミュレートされたAGN割合は観測結果と定量的・定性的に一致した。
• 最高のAGN割合（16–20%）はz~1.5–2におけるコンパクトな星形成銀河に見られ、最低の割合（6–10%）は同赤方偏移におけるコンパクトな停止銀河に見られた。
• 遮蔽補正を施した後、特定星形成率–星質量表面密度図におけるAGN割合の銀河位置依存性がよく再現された。