[논문 리뷰] Evidence for the connection between star formation rate and evolutionary phases of quasars

Zhifu Chen, Zhicheng He외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 50인용 수 44

한 줄 요약

이 연구는 SDSS DR16 데이터를 활용하여 브로드 흡수선(BAL) 유형(LoBAL, HiBAL, non-BAL)에 따라 활성은하핵 호스팅 은하에서 별 형성률(SFR)의 지표로 [O II]/[Ne V] 발광선 강도 비율을 사용한다. 연구 결과, SFR는 LoBAL에서 HiBAL로 갈수록 감소하고, non-BAL에서 다시 증가함을 확인하여, 외부 흐름이 별 형성률을 일시적으로 억제한 후 회복되는 진화적 순서가 존재함을 지지하며, 활성은하핵에 의한 외부 흐름이 전반적으로 부정적인 피드백 작용을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Both theory and observations suggest that outflows driven by an active central supermassive black hole (SMBH) has a feedback effect on shaping the global properties of the host galaxy. However, whether feedback from the outflow is effective, and if so, whether it is positive or negative, has long been controversial. Here, using the latest catalog from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), we use the flux ratio of the [O II] to [Ne V] emission lines as a proxy to compare the star formation rate (SFR) in the hosts of quasars with different types of broad absorption lines (BALs): low-ionization (Lo)BAL, high-ionization (Hi)BAL, and non-BAL. We find that SFR decreases from LoBAL to HiBAL quasars, and then increases from HiBAL to non-BAL quasars. Assuming that the sequence of LoBAL to HiBAL to non-BAL represents evolution, our results are consistent with a quenching and subsequent rebound of star formation in quasar host galaxies. This phenomenon can be explained that the SFR is suppressed by the outflow, which then rebounds once the outflow disappears as the quasars evolve from HiBALs to non-BALs. Our result suggests that the quasar outflow has a negative global feedback on galaxy evolution.

연구 동기 및 목표

• 활성은하핵의 진화 단계와 별 형성률(SFR) 간의 관계를 조사하기 위해.
• 활성은하핵 외부 흐름이 호스팅 은하의 별 형성률에 부정적 피드백 효과를 미치는지 테스트하기 위해.
• 관측된 BAL 유형(LoBAL, HiBAL, non-BAL)이 고유한 진화 단계를 반영하는지 확인하기 위해.
• 다른 BAL 분류를 가진 활성은하핵에서 SFR의 지표로 [O II]/[Ne V] 강도 비율을 사용하기 위해.

제안 방법

• SDSS DR16 활성은하핵 목록에서 LoBAL 407개, HiBAL 714개, non-BAL 14,144개를 수집하였다.
• 각 BAL 유형에 대해 중앙 복합 스펙트럼을 구축하여 발광선 특징을 분석하였다.
• SFR의 지표로 강도 비율 R = EW[O II]/EW[Ne V]를 사용하였으며, 높은 R 값은 높은 SFR를 의미한다.
• LoBAL 및 HiBAL 활성은하핵에서-dust reddening 보정을 위해 Small Magellanic Cloud 흡수법칙을 적용하였다.
• HiBAL 활성은하핵을 C IV BAL 등가폭(EWBAL_C IV) 기준으로 분할하여 HiBAL 단계 내에서 SFR의 진화를 추적하였다.
• 각 BAL 유형 및 분할 구간 간의 R 차이를 평가하기 위해 통계적 유의성 검정(Nσ)을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LoBAL, HiBAL, non-BAL 등 다른 BAL 활성은하핵 유형 간에 별 형성률(SFR)이 체계적으로 변화하는가?
• RQ2 관측된 SFR 변화는 LoBAL에서 non-BAL으로의 진화적 순서와 일치하는가?
• RQ3 C IV 브로드 흡수선 강도가 HiBAL 단계 내에서 SFR 변화와 관련이 있는가?
• RQ4 [O II]/[Ne V] 강도 비율이 충격 또는 협소선 영역 다양성으로 인한 오염 가능성을 감안할 때도 SFR를 신뢰할 만하게 추적할 수 있는가?
• RQ5 관측된 SFR 변화는 배경 모델이 아닌 진화적 시나리오에 의해 더 잘 설명되는가?

주요 결과

• [O II]/[Ne V] 강도 비율 R은 LoBAL에서 HiBAL로 갈수록 유의적으로 감소한다 (LoBAL: R = 2.228 ± 0.158 → HiBAL: R = 0.668 ± 0.039), SFR 급감을 나타내며 (9.6σ 유의성),
• R는 다시 HiBAL에서 non-BAL로 갈수록 증가한다 (R = 1.002 ± 0.013), SFR의 유의미한 회복을 보이며 (8.1σ 유의성), 억제 이후 복귀가 일어남을 시사한다.
• HiBAL 샘플 내에서 R은 C IV BAL 등가폭이 증가함에 따라 감소한다 (EWBAL_C IV > 25 Å일 때 R = 1.779 ± 0.282 → 10–15 Å일 때 R = 0.597 ± 0.066), 강한 외부 흐름 기간 동안 SFR 억제를 나타낸다.
• EWBAL_C IV가 10 Å 이하로 떨어지자 SFR 회복이 시작되며, 이는 외부 흐름의 억제 효과가 이 시점 이후 약화됨을 시사한다.
• [Ne V] 강도가 낮은 점을 보정한 후에도 LoBAL의 R 값은 HiBAL보다 유의적으로 높다 (10σ 유의성), LoBAL 호스팅 은하에서 SFR가 증가함을 확인한다.
• 블랙홀 질량에 따라 세 개의 MBH 구간(≤10^8.5, 10^8.5–10^9.0, ≥10^9.0 M⊙)에서 R 추세가 일관되며, 결과의 강건성을 뒷받침한다.