[論文レビュー] The host dark matter haloes of the first quasars

Tiago Costa|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高解像度の宇宙論的シミュレーションを用いて、z ≈ 6 のクェーサーが質量 M_h ≳ 5×10¹² M☉ の巨大なダークマター・ハローに宿っている場合、投影距離約10 kpcでライン・オブ・スイトの速度が最大1000 km s⁻¹に達する、急速に動く同伴銀河を示すと予測している。ALMA、JWST、MUSE からの観測データは、この高質量シナリオと一致する速度プロファイルを示しており、低質量のハロー候補を除外し、最初のクェーサーが稀で巨大な構造に宿っていることを確認している。

ABSTRACT

If $z > 6$ quasars reside in rare, massive haloes, $Λ$CDM cosmology predicts they should be surrounded by an anomalously high number of bright companion galaxies. Here I show that these companion galaxies should also move unusually fast. Using a new suite of cosmological, `zoom-in' hydrodynamic simulations, I present predictions for the velocity distribution of quasar companion galaxies and its variation with quasar host halo mass at $z \, = \, 6$. Satellites accelerate as they approach the quasar host galaxy, producing a line-of-sight velocity profile that broadens with decreasing distance to the quasar host galaxy. This increase in velocity dispersion is particularly pronounced if the host halo mass is $\gtrsim 5 imes 10^{12} \, m M_\odot$. Typical line-of-sight speeds rise to $\approx 500 \, m km \, s^{-1}$ at projected radii $\sim 10 \, m kpc$. For about $10\%$ of satellites, they should exceed $800 \, m km \, s^{-1}$, with $\approx 5\%$ of companions reaching line-of-sight speeds $\sim 1000 \, m km \, s^{-1}$. For lower host halo masses $\approx 5 imes 10^{11} - 10^{12} \, m M_\odot$, the velocity profile of companion galaxies is significantly flatter. In this case, typical line-of-sight velocities are $\approx 250 \, m km \, s^{-1}$ and do not exceed $\approx 500 \, m km \, s^{-1}$. A comparison with existing ALMA, JWST and MUSE line-of-sight velocity measurements reveals that observed $z > 6$ quasar companions closely follow the velocity distribution expected for a host halo with mass $\gtrsim 5 imes 10^{12} \, m M_\odot$, ruling out a light host halo. Finally, through an estimate of UV and \oiii \, luminosity functions, I show that the velocity distribution more reliably discriminates between halo mass than companion number counts, which are strongly affected by cosmic variance.

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルが急速なブラックホール成長を要請するように、高赤方偏移クェーサーのハローが高質量であるかどうかを検証すること。
• 宇宙定数のゆらぎや検出バイアスの影響により、z>6 のクェーサー周囲で矛盾する過密度信号が報告されるという観測的曇りを解消すること。
• 数え上げよりも頑健な動的プローブとして、ライン・オブ・スイト速度分布を用いてハロー質量を制約する手法を提案すること。
• 低質量（≲10¹² M☉）と高質量（≳5×10¹² M☉）のハロー状況を、速度分散プロファイルを用いて区別すること。

提案手法

• z = 6 におけるクェーサー・ハローの形成と力学をモデル化するための「ズームイン」宇宙論的流体力学的シミュレーションを実施する。
• 質量が異なる2つのハロー範囲（約5×10¹¹–10¹² M☉ および 約6–7×10¹² M☉）におけるクェーサー周囲の衛星銀河のライン・オブ・スイト速度分布を追跡する。
• 衛星が中心クェーサーに向かって落下する際の重力的加速をシミュレートし、投影距離が小さくなるにつれて速度分散が増加することを示す。
• ALMA、MUSE、JWST からの既存の観測測定値と比較することで、シミュレーションの妥当性を検証する。
• UVおよび[O III]の等価光度関数を推定し、ハロー質量の識別に数え上げと速度分布のどちらが信頼性があるかを評価する。
• 宇宙定数の推定値を用いて、同伴銀河数のばらつきを定量化し、ハロー質量に対する速度プロファイルの優れた感度を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M_h ≳ 5×10¹² M☉ の巨大ダークマター・ハローに宿された場合、z ≈ 6 のクェーサー周囲の同伴銀河はどのようなライン・オブ・スイト速度分布を示すか？
• RQ2 高質量ハローと低質量ハローの両方において、中心クェーサーからの投影距離に応じてクェーサー同伴銀河のライン・オブ・スイト速度プロファイルはどのように変化するか？
• RQ3 z>6 のクェーサー同伴銀河の観測されたライン・オブ・スイト速度は、M_h ≲ 10¹² M☉ の低質量ハロー状況を除外できるか？
• RQ4 宇宙定数の影響を考慮すると、同伴銀河の数え上げと比較して、速度分布がハロー質量の指標としてより信頼性があるか？
• RQ5 高質量ハローでは、何パーセントのクェーサー同伴銀河がライン・オブ・スイト速度が 800 km s⁻¹ を超えると予想されるか？

主な発見

• M_h ≳ 5×10¹² M☉ の高質量ハローでは、投影距離 ≲10 kpc で同伴銀河のライン・オブ・スイト速度分散が顕著に増加し、平均で約500 km s⁻¹に達し、約10%の衛星が800 km s⁻¹を超える。
• 高質量ハローの約5%の同伴銀河では、ライン・オブ・スイト速度が ∼1000 km s⁻¹ に達しており、強い重力的ポテンシャルと急速な落下を示唆している。
• 一方、低質量ハロー（約5×10¹¹–10¹² M☉）では、速度プロファイルが平坦で、典型的なライン・オブ・スイト速度は約250 km s⁻¹、最大で約500 km s⁻¹ に留まる。
• ALMA、MUSE、JWST からの観測速度測定は、広がった速度プロファイルと最大約1000 km s⁻¹ の極端な速度を示しており、高質量ハローと一致し、低質量シナリオとは矛盾する。
• 速度分散プロファイルは、宇宙定数の影響を強く受ける数え上げと比較して、ハロー質量の指標としてより信頼性が高く、優れている。
• 結果として、z ≈ 6 のクェーサーは M_h ≳ 5×10¹² M☉ の巨大ハローに宿っていると確認され、初期の超大質量ブラックホール形成を支持するΛCDMモデルの予測を裏付けた。