[논문 리뷰] Co-evolution of elliptical galaxies and their central black holes. Clues from their scaling laws

Luca Ciotti|arXiv (Cornell University)|2008. 08. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 293인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 타원은하와 그 중심의 초거대 블랙홀(SMBH) 간의 일관된 공진화 시나리오를 제안하며, 스케일링 법칙—특히 Magorrian 법칙과 M_BH–σ 관계—이 우주 시간 전반에 걸쳐 유지되어야 한다고 강조한다. SMBH 피드백이 별 질량 손실에서 비롯하는 과도한 적축을 방지하기 위해 필수적이라고 주장하며, z ≈ 1–2에서 관측된 초밀도 조건의 초기 은하들은 고적색적 시점에서 M_BH–σ 관계의 정규화가 낮을 것임을 시사하여, 건조한 병합이 구조적 진화를 이끄는 경우 현재의 국지적 관계를 도전한다.

ABSTRACT

After the discovery that supermassive black holes (SMBHs) are ubiquitous at the center of stellar spheroids and that their mass Mbh, in the range 10^6-10^9 Msun, is tightly related to global properties of the host stellar system, the idea of the co-evolution of elliptical galaxies and of their SMBHs has become a central topic of modern astrophysics. Here, I summarize some consequences that can be derived from the galaxy Scaling Laws (SLs) and present a coherent scenario for the formation and evolution of elliptical galaxies and their central SMBHs, focusing in particular on the establishment and maintenance of their SLs. In particular, after a first observationally based part, the discussion focuses on the physical interpretation of the Fundamental Plane. Then, two important processes in principle able to destroy the galaxy and SMBH SLs, namely galaxy merging and cooling flows, are analyzed. Arguments supporting the necessity to clearly distinguish between the origin and maintenance of the different SLs, and the unavoidable occurrence of SMBH feedback on the galaxy ISM in the late stages of galaxy evolution (when elliptical galaxies are sometimes considered as ``dead, red objects''), are then presented. At the end of the paper I will discuss some implications of the recent discovery of super-dense ellipticals in the distant Universe. In particular, I will argue that, if confirmed, these new observations would lead to the conclusion that at early epochs a relation between the stellar mass of the galaxy and the mass of the central SMBH should hold, consistent with the present day Magorrian relation, while the proportionality coefficient between Mbh and the scale of velocity dispersion of the hosting spheroids should be significantly smaller than that at the present epoch.

연구 동기 및 목표

• 타원은하와 그 중심의 SMBH 간 관측된 엄격한 스케일링 법칙을 은하 형성 및 진화 시나리오와 조율하는 것.
• 특히 기본 평면과 M_BH–σ 관계를 중심으로 스케일링 법칙의 기원과 장기적 유지 간의 차이를 명확히 하는 것.
• SMBH 피드백이 활성 별 형성 기간 외에도 은하 전체 수명 동안 필수적임을 주장하여, 별 질량 손실에서 비롯하는 과도한 적축을 방지하는 것.
• 최근 z ≈ 1–2에서 관측된 초밀도 타원은하들을 근거로, 초기 시점에서 M_BH–σ 관계가 다를 수 있음을 시사하며 비례 계수의 진화를 암시하는 것.
• 건조한 병합이 고적색 밀도 높은 은하의 팽창에 기여하면서 Magorrian 관계는 유지하나 국지적 M_BH–σ 관계는 위반하는 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• Faber-Jackson, Kormendy, 기본 평면, Mg2–σ, 색상–σ 등의 관측 스케일링 법칙을 분석하여 초기형 은하의 구조적 및 운동학적 동질성을 추론한다.
• 은하–SMBH 공진화 모델의 기초로 Magorrian 관계(M_BH ∝ M_*)와 M_BH–σ 관계를 사용한다.
• 우주 시간 동안의 별 질량 손실(총 질량의 30% 이상)이 SMBH 연료 공급에 미치는 영향을 평가하며, 피드백이 없을 경우 BH 질량이 크게 달라질 것임을 보여준다.
• 역학적 시간 스케일을 고려한 물리적 추론을 통해 내부 과정(예: 안정화)이 고적색 은하의 구조적 팽창 원인으로서 제외됨을 규명한다.
• 건조한 병합을 초밀도 은하의 팽창 메커니즘으로 제안하며, M_BH–M_*는 유지하나 M_BH–σ는 변화시킴.
• 고적색 초밀도 은하에서 예상되는 M_BH–σ 관계를 국지 관계와 비교하며, 고정된 질량에서 높은 속도 분산으로 인해 더 낮은 절편이 예상됨을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주의 시간 전반에 걸쳐 별 질량 손실이 발생하더라도 타원은하와 그 중심의 SMBH 간 관측된 스케일링 법칙은 어떻게 유지될 수 있는가?
• RQ2 왜 SMBH 피드백은 활성 별 형성 단계 외에도 은하 전체 진화 역사 동안 필수적인가?
• RQ3 높은 중심 밀도를 지닌 초밀도 타원은하가 z ≈ 1–2에서 팽창할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 초밀도 은하가 현재의 타원은하의 조상이라면, 고적색에서의 M_BH–σ 관계는 국지 관계와 어떻게 다를 것인가?
• RQ5 건조한 병합은 초기형 은하의 구조적 진화와 Magorrian 관계의 유지, 국지적 M_BH–σ 관계 위반을 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 우주 시간 전반에 걸친 별 질량 손실(총 질량의 ≥30%)은 효율적인 피드백이 없을 경우 초과된 SMBH 적축을 초래하므로, SMBH 피드백이 계속 작동해야 한다는 결론이 도출된다.
• 국지 우주에서 관측된 M_BH–σ 관계는 재순환된 별 가스의 적축만으로는 설명될 수 없으며, 이는 피드백이 매우 효율적이고 지속되어야 함을 의미한다.
• z ≈ 1–2에서 관측된 초밀도 타원은하가 확인된다면, 초기 시점에서 M_BH–σ 관계의 정규화가 오늘날과 비교해 상당히 낮았음을 암시하며, 이는 더 낮은 절편을 의미한다.
• 건조한 병합은 고적색 밀도 높은 은하의 팽창에 대해 가장 타당한 메커니즘이며, 내부 과정은 이러한 구조적 진화를 일으킬 만큼 충분히 빠르지 않다.
• 초밀도 은하가 건조한 병합을 통해 현재의 타원은하로 진화한다면, 고적색에서 M_BH ∝ M_*를 따르는 Magorrian 관계를 이행했을 것이지만, 고정된 M_*에서 더 높은 σ_0로 인해 국지적 M_BH–σ 관계를 위반하게 된다.
• 따라서 국지 우주에서 관측된 M_BH–σ 관계는 초기 조건이 아니라 후기 진화의 결과이며, 그 절편은 우주의 시간이 흐름에 따라 변화했을 가능성이 크다.