[論文レビュー] On the Co-Evolution of the AGN and Star-Forming Galaxy Ultraviolet Luminosity Functions at 3 < z < 9

Steven L. Finkelstein, Micaela B. Bagley|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、広域で中程度の深さの調査を用いて、3 < z < 9 の範囲で活動銀河核（AGN）と星形成銀河のrest-frame紫外線（UV）発光関数の共同実騹的モデルを提示する。AGNの体積密度は z = 9 から z = 3 にかけて5桁増加するが、星形成銀河のそれは2桁増加するにとどまり、AGNの増加は星形成銀河をはるかに上回る。また、z = 9 の発光関数の明るさの端の平坦化は、AGN活動によるものではなく、フィードバックの低減によるものであると特定する。

ABSTRACT

Studies of the high-redshift rest-frame ultraviolet (UV) luminosity functions (LFs) have typically treated the star-forming galaxy and active galactic nuclei (AGN) populations separately, as they have different survey depth and area requirements. However, the recent advent of wide-area deep ground-based imaging surveys now probe volumes large enough to discover AGNs, at depths sensitive enough for fainter star-forming galaxies, bridging these two populations. Using results from such surveys as observational constraints, we present a methodology to jointly empirically model the evolution of the rest-UV luminosity functions at z=3-9. We assume both populations have a LF well-described by a double power law modified to allow a flattening at the faint-end, and that all LF parameters evolve smoothly with redshift. This provides a good fit to the observations, and makes predictions to volume densities and redshifts not yet observed. We find that the volume density of bright (M_UV = -28) AGNs rises by five orders of magnitude from z=9 to z=3, while modestly bright (M_UV = -21) galaxies rise by only two orders of magnitude across the same epoch. The observed bright-end flattening of the z=9 LF is unlikely to be due to AGN, and rather is due to a shallowing of the bright-end slope, implying reduced feedback in bright galaxies at early times. Integrating our LFs we find that the intrinsic ionizing emissivity is dominated by galaxies at all z > 3, and this result holds even after applying a notional escape fraction. We compare our AGN LFs to predictions based on different black-hole seeding models, finding decent agreement on average, but that all models are unable to predict the observed abundance of bright AGNs. We make predictions for the upcoming Euclid and Roman observatories, showing that their respective wide-area surveys should be capable of discovering AGNs to z ~ 8.

研究の動機と目的

• 3 < z < 9 の範囲で AGN と星形成銀河の UV 発光関数の進化を共同でモデリングすること。
• 初期宇宙における AGN と星形成銀河の集団の共進化を理解すること。
• AGN 活動が観測された z = 9 発光関数の明るさの端の平坦化を説明できるかどうかを特定すること。
• 高赤方偏移におけるイオン化放出量への AGN と星形成銀河の寄与を評価すること。
• 近い将来の Euclid と Roman 太空望遠鏡の調査における AGN の検出可能性を予測すること。

提案手法

• 明るさの端の平坦化を伴う修正された二重パワーロー法を用いて、AGN と星形成銀河の両方の UV 発光関数を実験的にモデリングする。
• 発光関数のすべてのパラメータが赤方偏移とともに滑らかに変化すると仮定し、線形または2次関数の赤方偏移依存性を用いる。
• 広域調査（例：SHELA, VIDEO, Hyper-SuprimeCam）からの観測データに29パラメータのモデルをフィットする。
• 発光関数を統合して内在的イオン化放出量を計算し、仮想的な抜け出し率を適用する。
• 推定された AGN 発光関数をブラックホールの種まきと成長モデルからの理論的予測と比較する。
• 推定された発光関数を用いて、Euclid と Roman 太空望遠鏡調査における AGN 検出の予測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 9 の UV 発光関数の明るさの端の平坦化は、AGN 活動によるものか、それとも固有の銀河進化によるものか？
• RQ2 z = 9 から z = 3 にかけて、AGN と星形成銀河の体積密度はどのように変化するか？
• RQ3 高赤方偏移における内在的イオン化放出量を支配するのは、AGN か星形成銀河か？
• RQ4 理論的 AGN 発光関数モデルは、z ≈ 9 における明るい AGN の観測頻度を再現できるか？
• RQ5 Euclid や Roman のような近い将来の広域調査は、z > 7 における有意な数の AGN を検出できるか？

主な発見

• 明るい AGN（MUV = −28）の体積密度は、z = 9 から z = 3 にかけて5桁増加する。
• やや明るい星形成銀河（MUV = −21）の体積密度は、同じ赤方偏移範囲でわずか2桁増加する。
• z = 9 の発光関数の明るさの端の平坦化は、明るさの端の勾配が緩やかになることによるものであり、AGN の汚染によるものではない。
• 妥当な抜け出し率を適用しても、すべての赤方偏移において星形成銀河が内在的イオン化放出量を支配する。
• すべての理論的 AGN 発光関数モデルは、z ≈ 9 における明るい AGN の観測頻度を再現できない。
• Euclid Wide と Roman High Latitude Survey では、z ∼ 8 における有意な数の AGN が検出可能であるが、完全な再イオン化時代のカバレッジを得るにはより深い調査が必要である。