[논문 리뷰] Blowing out the Candle: How to Quench Galaxies at High Redshift -- an Ensemble of Rapid Starbursts, AGN Feedback and Environment

Lucas C. Kimmig, Rhea–Silvia Remus외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 24.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 Magneticum Pathfinder 시뮬레이션을 사용하여 z ~ 3.4의 대질량 활성정지 은하들이 급속하고 등방성 가스 붕괴 주도 스타버스트를 거친 뒤 AGN 피드백으로 냉각이 멈추고 형성되며, 환경 역시 장기 냉각에 영향을 준다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Recent observations with JWST and ALMA have revealed extremely massive quiescent galaxies at redshifts of z=3 and higher, indicating both rapid onset and quenching of star formation. Using the cosmological simulation suite Magneticum Pathfinder we reproduce the observed number densities and stellar masses, with 36 quenched galaxies of stellar mass larger than 3e10Msun at z=3.42. We find that these galaxies are quenched through a rapid burst of star-formation and subsequent AGN feedback caused by a particularly isotropic collapse of surrounding gas, occurring on timescales of around 200Myr or shorter. The resulting quenched galaxies host stellar components which are kinematically fast rotating and alpha-enhanced, while exhibiting a steeper metallicity and flatter age gradient compared to galaxies of similar stellar mass. The gas of the galaxies has been metal enriched and ejected. We find that quenched galaxies do not inhabit the densest nodes, but rather sit in local underdensities. We analyze observable metrics to predict future quenching at high redshifts, finding that on shorter timescales <500Myr the ratio M_bh/M_* is the best predictor, followed by the burstiness of the preceding star-formation, t50-t90 (time to go from 50% to 90% stellar mass). On longer timescales, >1Gyr, the environment becomes the strongest predictor, followed by t50-t90, indicating that at high redshifts the consumption of old and lack of new gas are more relevant for long-term prevention of star-formation than the presence of a massive AGN. We predict that relics of such high-z quenched galaxies should best be characterized by a strong alpha enhancement.

연구 동기 및 목표

• z > 3에서 대질량의 활성정지 은하가 어떻게 형성되고 냉각되는지 탐구한다.
• 급속한 스타버스트, AGN 피드백, 환경이 냉각에 미치는 역할을 정량화한다.
• 시뮬레이션에서 냉각된 은하를 수밀도(number density)와 질량으로 관측과 비교한다.
• 냉각된 은하와 비냉각 은하의 내부 구조와 화학적 특성을 특성화한다.

제안 방법

• 128 Mpc/h)^3 부피와 높은 질량/힘 해상도를 갖춘 Magneticum Pathfinder Box3 uhr 우주론적 유체역학적 시뮬레이션을 이용한다.
• 교차검증으로 z=3.42에서 SFR = 0 또는 sSFR < 0.3/tHub인 활성정지 은하를 식별한다.
• 개별 조립 이력을 위해 L-BaseTree를 사용하여 z~15에서 z=2까지 은하의 선조와 하이드를 추적한다.
• 등방성 가스 붕괴 시나리오를 포함하여 냉각 및 가스 배출을 연구하기 위해 가스 밀도, 온도, 금속성 프로파일을 분석한다.
• JWST, ALMA, HST의 관측과 전역 별형성률 밀도와 최대 별질량의 진화를 비교한다.
• Mbh/M*를 포함한 미래 냉각의 관측 예측요인을 <500 Myr 및 >1 Gyr의 시계에서 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Magneticum 시뮬레이션에서 z ~ 3–4에서 대질량 은하의 급속한 냉각을 유발하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 급속 스타버스트, AGN 피드백, 그리고 환경 요인이 냉각에 개별적으로 또는 집합적으로 어떻게 기여하는가?
• RQ3 고적징(z) 높은 적색에서 냉각된 은하와 비냉각 은하의 구조적, 운동학적, 화학적 특징은 무엇인가?
• RQ4 고적(z > 3) 은하의 미래 냉각 시점을 예측할 수 있는 관측 지표는 무엇이며, 짧은 시간 척도와 긴 시간 척도에서 어떤 요인이 우세한가?

주요 결과

• 냉각된 은하들(샘플에서 z=3.42 시점 약 36개)은 가스가 등방성 붕괴와 일치하는 급속한 스타버스트에서 비롯되며, 그 뒤 강한 AGN 피드백이 가스를 큰 반지로 배출한다.
• 냉각된 중심은 운동학적으로 빠르게 회전하고 알파-강화적이며, 같은 질량의 비냉각 은하에 비해 금속함량 기울기와 연령 기울이가 더 가파르다.
• 냉각된 은하들은 우주 웹의 가장 밀집한 노드가 아니라 국지적인 저밀도 구역에 거주하며, 환경은 냉각에 더 긴 시간 척도에서 영향을 미친다.
• 짧은 시간 척도(<500 Myr)에서 미래 냉각의 가장 강한 예측자는 Mbh/M*이며 그 뒤에 앞선 별형성의 burstiness(t50–t90)가 따른다.
• 1 Gyr를 넘는 시간 척도에서는 환경이 가장 강한 예측요인이 되며 그다음으로 t50–t90이 따라온다. 이는 오래된 가스 소모와 신선한 가스의 부족이 AGN 존재 여부보다 장기 냉각에 더 큰 영향을 준다는 것을 시사한다.
• 고적 냉각 은하의 잔재는 강한 알파 강화가 기대된다.