[논문 리뷰] Hubble Space Telescope Captures UGC~12591: Bulge/Disc Properties, Star Formation and `Missing Baryons' Census in a Very Massive and Fast Spinning Hybrid Galaxy

Shankar Ray, J. Bagchi외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 06.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡와 다중파장 데이터를 사용하여, 우주선형성의 중심부가 우세한 (H-band B/D = 69%) 고질량, 고속으로 도는 하이브리드 은하인 UGC 12591을 분석한다. 별 형성률은 매우 낮으며 (SFR ≈ 0.1–0.2 M☉ yr⁻¹), 고질량 (1.6×10¹¹ M☉)임에도 불구하고 침체 상태이며, 바리온의 15%만 관측 가능하여 바리온 결핍도 85%에 이르며, 이는 AGN 피드백이나 냉각 효율성 부족과 같은 비중력적 과정이 표준 척도관계(예: 바리온 터리-파이저 관계)를 위협할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present Hubble Space Telescope (HST) observations of the nearby, massive, highly rotating hybrid galaxy UGC~12591, along with observations in UV to FIR bands. HST data in V, I, and H bands is used to disentangle the structural components. Surface photometry shows a dominance of the bulge over the disc with H-band B/D ratio of $69\%$. The spectral energy distribution (SED) fitting reveals an extremely low global star formation rate (SFR) of $ m\sim0.1-0.2 M_\odot yr^{-1}$, exceptionally low for the galaxy's huge stellar mass of $ m 1.6 imes10^{11}M_\odot$, implying a strong quenching of its SFR with star formation efficiency of $3-5\%$. For at least the past $ m 10^{8}$ years, the galaxy has remained in a quiescent state as a sterile, `red and dead' galaxy. UGC~12591 hosts a supermassive black hole (SMBH) of $ m 6.18 imes 10^{8} M_\odot$ which is possibly quiescent at present, i.e. neither we see large ($ m>1 kpc$) radio jets nor is the SMBH contributing significantly to the mid-IR SED, ruling out strong radiative feedback of AGN. We obtained a detailed census of all observable baryons with a total mass of $ m 6.46 imes10^{11} M_\odot$ within the virial radius, amounting to a baryonic deficiency of $\sim$$85\%$ relative to the cosmological mean. Only a small fraction of these baryons resides in a warm/hot circum-galactic X-ray halo, while the majority are still unobservable. We discussed various astrophysical scenarios to explain its unusual properties. Our work is a major step forward in understanding the assembly history of such extremely massive, isolated galaxies.

연구 동기 및 목표

• 허블 우주망원경 이미징을 활용하여 UGC 12591의 구조적 구성요소(핵/디스크)와 별 형성 특성을 조사하기.
• 보편적 바리온의 전반적인 인벤토리(백색 반경 내)를 수행하여 바리온 결핍도를 평가하기.
• 이러한 고질량 고립 은하에서 AGN 피드백이 별 형성 억제에 미치는 영향을 평가하기.
• UGC 12591와 같은 극단적 체계에서 바리온 터리-파이저 관계(BTFR)의 강건성을 시험하기.
• 고질량, 침체 상태, 고속으로 도는 하이브리드 은하의 형성 기원을 이해하기.

제안 방법

• V, I, H 파장에서 HST ACS 데이터에 표면광도 분석을 수행하여 핵과 디스크 성분을 분해하기.
• 자외선에서 적외선까지의 다중파장 데이터를 사용하여 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 피팅하여 전반적 별 형성률과 별 질량을 유도하기.
• 백색 반경 내 총 바리온 질량을 항성 질량, 냉각//warm/hot 기체 질량 및 암흑물질 홀로 질량을 합하여 추정하기.
• X선 관측을 통해 고온 기체 형태의 은하주위 환경 매질(CGM) 질량을 추정하기.
• 은하의 역학적 질량과 바리온 질량을 천체물리학적 평균과 비교하여 바리온 결핍도를 정량화하기.
• 라디오 및 중간 적외선 데이터를 분석하여 활성 은하핵(AGN) 피드백의 존재와 영향을 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UGC 12591의 핵과 디스크의 구조적 특성은 무엇이며, 각 성분이 빛의 총량에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 1.6×10¹¹ M☉의 고질량을 지닌 UGC 12591에서 별 형성률이 왜 매우 낮게 유지되는가(0.1–0.2 M☉ yr⁻¹)?
• RQ3 UGC 12591의 바리온 질량은 어느 정도까지 관측 가능하며, 관측되지 않은 부분은 얼마나 되는가? 이는 바리온 결핍을 시사하는가?
• RQ4 특히 고온 홀로 기체 질량을 포함한 경우, 바리온 터리-파이저 관계(BTFR)가 UGC 12591에 적용되는가?
• RQ5 과거 AGN 피드백이나 기타 비중력적 과정이 이 고질량 은하의 침체 상태와 바리온 결핍을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• UGC 12591는 H-band에서 B/D 비율이 69%로 높아 강하게 핵이 지배하는 형태를 띠며, 핵 지배 은하임을 시사한다.
• 은하는 고질량 항성 질량(1.6×10¹¹ M☉)을 지닌다 해도 전반적 별 형성률이 매우 낮아 0.1–0.2 M☉ yr⁻¹이며, 이는 별 형성 효율이 단지 3–5%에 불과함을 의미한다.
• 은하는 적어도 10⁸년 이상 침체 상태에 있었으며, 뚜렷한 별 형성 활동이 없는 '빨간색이고 죽은' 은하로 분류된다.
• 백색 반경 내 총 바리온 질량은 6.46×10¹¹ M☉로 측정되었으나, 이는 천체물리학적 평균의 15%에 불과하여 약 85%의 바리온 결핍을 나타낸다.
• 고온의 은하주위 X선 환경 매질에 있는 바리온의 비율은 매우 작으며, 대부분의 바리온은 관측되지 않아 예상되는 상태에서 누락된 바리온이 존재하지 않음을 시사한다.
• 예상되는 고온 홀로 기체 질량을 포함한 경우에도 UGC 12591는 표준 바리온 터리-파이저 관계(slope ~4)에서 크게 떨어져 있어, AGN 피드백이나 냉각 효율성 부족과 같은 비중력적 과정으로 인한 자기유사 척도관계 붕괴 가능성을 시사한다.