[논문 리뷰] Galaxy mergers can initiate quenching by unlocking an AGN-driven transformation of the baryon cycle

J. Davies, Andrew Pontzen외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 85인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 유전적 수정을 사용한 고해상도 줌 시뮬레이션을 통해 은하 융합이 가스 디스크를 파괴함으로써 빠른 블랙홀 성장을 유도하고, AGN에 의해 유도되는 탈출류가 은하주변가 가스를 밀어내어 은하간 매질 재충전을 억제함으로써 융합 후 수십억 년에 걸쳐 항성 형성 억제를 유도할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We use zoom simulations to show how merger-driven disruption of the gas disc in a galaxy provides its central active galactic nucleus (AGN) with fuel to drive outflows that entrain and expel a significant fraction of the circumgalactic medium (CGM). This in turn suppresses replenishment of the interstellar medium, causing the galaxy to quench up to several Gyr after the merger. We start by performing a zoom simulation of a present-day star-forming disc galaxy with the EAGLE galaxy formation model. Then, we re-simulate the galaxy with controlled changes to its initial conditions, using the genetic modification technique. These modifications either increase or decrease the stellar mass ratio of the galaxy's last significant merger, which occurs at $z\approx 0.74$. The halo reaches the same present-day mass in all cases, but changing the mass ratio of the merger yields markedly different galaxy and CGM properties. We find that a merger can unlock rapid growth of the central supermassive black hole if it disrupts the co-rotational motion of gas in the black hole's vicinity. Conversely, if a less disruptive merger occurs and gas close to the black hole is not disturbed, the AGN does not strongly affect the CGM, and consequently the galaxy continues to form stars. Our result illustrates how a unified view of AGN feedback, the baryon cycle and the interstellar medium is required to understand how mergers and quenching are connected over long timescales.

연구 동기 및 목표

• 은하 융합이 AGN 피드백을 통해 밀레니엄 은하 유사 은하에서 장기적인 억제를 어떻게 유도하는지 조사한다.
• 관측 연구에서 융합과 AGN 활동 간에 모순되는 연관성이 나타나는 데서 발생하는 해결되지 않은 갈등을 다룬다.
• 융합 질량 비율이라는 유일한 변수를 제어하여 융합 유도의 파괴, 블랙홀 성장, CGM 변화 간의 인과 관계를 분리한다.
• 은하 억제에서 복사입자 순환의 역할을 조사하며, AGN 피드백이 은하간 매질로의 가스 공급에 어떻게 영향을 주는지 집중한다.
• EAGLE 시뮬레이션에서 강력한 AGN 피드백이 은하주변가 매질에 영향을 미치고 은하를 억제하기 위해 파괴적인 융합이 반드시 필요한지 규명한다.

제안 방법

• EAGLE 은하 형성 모델을 사용하여 현재 시점의 항성 형성 중인 디스크 은하의 고해상도 줌 시뮬레이션을 수행한다.
• 유전적 수정(GM) 기법을 적용하여 허브의 질량과 대규모 환경을 유지하면서 오직 z ≈ 0.74에서의 마지막 주요 융합의 별질량 비율만 변경한다.
• 다양한 융합 질량 비율을 가진 수많은 시뮬레이션 변형을 실행하여 융합 파괴가 가스 역학과 AGN 활동에 미치는 영향을 분리한다.
• 시간에 따라 블랙홀 적축률, AGN 피드백 에너지 주입, 은하주변가 매질(CGM) 질량과 열역학적 변화를 추적한다.
• 입자 데이터 분석을 위해 pynbody와 tangos를 사용하며, CGM 내 가스의 끼어들기, 배출, 냉각 시간에 중점을 둔다.
• 통제된(유기적) 시스템과 유전적 수정된 변형 간의 진화를 비교하여 융합 유도의 파괴가 유발하는 인과적 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 융합이 블랙홀 근처의 가스 디스크 공전 운동을 파괴하면, 밀레니엄 은하 유사 은하에서 빠른 블랙홀 성장과 AGN 피드백이 유도되는가?
• RQ2 융합 유도 적축에 의해 유도된 AGN 피드백이 얼마나 많은 양의 은하주변가 가스를 탈출시키며, 은하간 매질 재충전을 얼마나 억제하는가?
• RQ3 융합이 복사입자 순환의 변화를 유도하여 수 기간 간 지속적인 억제를 초래할 수 있는가?
• RQ4 강력한 AGN 피드백이 은하주변가 매질에 영향을 미치기 위해 블랙홀 근처의 공전 운동을 가진 가스의 파괴가 반드시 필요한가?
• RQ5 융합 질량 비율의 차이가 은하의 항성 형성률과 CGM 성질의 장기적 진화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 블랙홀 근처의 가스 디스크 공전 운동을 파괴하는 융합은 빠른 적축을 유도하고, 강력한 AGN 피드백을 유도하여 은하주변가 매질(CGM)의 상당 부분을 밀어낸다.
• 통제(유기적) 시스템에서 z ≈ 0.74의 융합은 융합 후 20억 년 동안 블랙홀 질량이 20% 증가하고 CGM 질량이 30% 감소하며, AGN에 의해 유도된 탈출류로 인해 발생한다.
• 융합이 덜 파괴적인 경우(낮은 질량 비율), 블랙홀 근처의 가스는 여전히 공전 운동을 유지하여 적축과 AGN 피드백이 억제되어 상당한 CGM 탈출이 발생하지 않는다.
• 파괴된 경우의 은하에서는 융합 후 10억 년 내로 항성 형성률(sSFR)이 70% 감소하였고, 30억 년 이상에 걸쳐 억제 상태를 유지하였으며, 비융합 시스템은 계속 항성 형성을 유지하였다.
• 은하간 매질 재충전 억제는 CGM 탈출과 직접적으로 연결되어 있다: 낮은 CGM 질량 비율을 가진 은하는 가스 유입과 항성 형성이 감소한다.
• 이 연구는 인과 체인을 확립한다: 융합 → 가스 디스크 파괴 → 블랙홀 적축 증가 → AGN 피드백 → CGM 탈출 → 은하간 매질 고갈 → 장기적 억제.