[논문 리뷰] Linking galaxy structural properties and star formation activity with IllustrisTNG

Mélanie Habouzit, Shy Genel외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 우주의 시간에 걸쳐 은하의 구조적 성질과 은하핵 활성성 간의 연관성을 규명하기 위해 IllustrisTNG 천체역학 시뮬레이션을 사용한다. 연구 결과, z~1.5–2에서 밀도 높은 별 형성은 은하핵 활성성(AGN) 비율이 가장 높은(16–20%) 것으로 나타났고, 반면 밀도 높은 휴면 은하의 AGN 비율은 가장 낮았다(6–10%). 은하핵 은폐 효과를 보정한 후 시뮬레이션은 관측 결과와 강한 정량적·정성적 일치를 보였지만, 약간의 과도한 어두운 AGN 예측과 낮은 밝은 AGN 예측을 보였다.

ABSTRACT

We study the connection between active galactic nuclei (AGN) and their host galaxies through cosmic time in the large-scale cosmological IllustrisTNG simulations. We first compare BH properties, i.e. the hard X-ray BH luminosity function, AGN galaxy occupation fraction, and distribution of Eddington ratios, to available observational constraints. The simulations produce a population of BHs in good agreement with observations, but we note an excess of faint AGN in hard X-ray (L_x ~ 10^{43-44} erg/s), and a lower number of bright AGN (L_x>10^{44} erg/s), a conclusion that varies quantitatively but not qualitatively with BH luminosity estimation method. The lower Eddington ratios of the 10^{9} Msun BHs compared to observations suggest that AGN feedback may be too efficient in this regime. We study galaxy star formation activity and structural properties, and design sample-dependent criteria to identify different galaxy types (star-forming/quiescent, extended/compact) that we apply both to the simulations and observations from the candels fields. We analyze how the simulated and observed galaxies populate the specific star formation rate - stellar mass surface density diagram. A large fraction of the z=0 M_{star}>10^{11} Msun quiescent galaxies first experienced a compaction phase (i.e. reduction of galaxy size) while still forming stars, and then a quenching event. We measure the dependence of AGN fraction on galaxies' locations in this diagram. After correcting the simulations with a redshift and AGN luminosity-dependent model for AGN obscuration, we find good qualitative and quantitative agreement with observations. The AGN fraction is the highest among compact star-forming galaxies (16-20% at z~1.5-2), and the lowest among compact quiescent galaxies (6-10% at z~1.5-2).

연구 동기 및 목표

• 대규모 천체역학 시뮬레이션을 통해 활성 은하핵(AGN)과 그 은하주변 환경의 공진화 과정을 우주의 시간에 걸쳐 이해하기 위해.
• IllustrisTNG 시뮬레이션이 관측된 AGN 및 은하 성질, 특히 블랙홀 복사함수 함수와 에딩턴 비율을 정확히 재현하는지 테스트하기 위해.
• 은하의 구조적 성질(크기, 표면 밀도 등)이 별 형성 활동과 AGN 비율과 어떻게 상관관계를 가지는지 조사하기 위해.
• 특히 특정 별 형성 속도–은하 질량 표면 밀도 다이어그램에서 CANDELS 영역의 관측 데이터를 활용해 시뮬레이션된 AGN 인구를 校정하고 검증하기 위해.
• 관측된 AGN 비율과의 일치도를 향상시키기 위해 시뮬레이션에서 AGN 은폐 효과를 보정하기 위해.

제안 방법

• 대규모 천체역학 제약 조건을 만족시키기 위해 피드백 및 AGN 물리학을 조정한 IllustrisTNG 프레임워크 내에서 은하 및 블랙홀 진화를 시뮬레이션하기 위해.
• 관측 데이터와 비교하여 시뮬레이션된 블랙홀 성질(예: 딱딱한 X선 복사함수 함수, 점유율, 에딩턴 비율 분포)을 검증하기 위해.
• 별 형성률과 은하 질량 표면 밀도 기반으로 은하를 별 형성은 은하 또는 휴면 은하, 그리고 확장형 또는 밀집형으로 분류하기 위한 샘플 기반 기준 정의하기 위해.
• 시뮬레이션된 은하와 관측된 은하를 특정 별 형성 속도–은하 질량 표면 밀도 다이어그램에 매핑하여 구조적 및 진화적 경향 분석하기 위해.
• 적응형 적응형 은폐 모델을 적용하여 시뮬레이션된 AGN 탐지 확률을 보정하고, 관측된 AGN 비율과의 일치도 향상시키기 위해.
• 은하의 위치에 따른 AGN 비율을 구조적–별 형성 다이어그램 내에서 측정하여 환경적 및 진화적 의존성 식별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IllustrisTNG 시뮬레이션은 관측된 블랙홀 복사함수 함수와 에딩턴 비율 분포를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 시뮬레이션 및 관측된 은하에서 은하의 구조적 성질(크기, 표면 밀도)과 별 형성 활동 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 시뮬레이션과 관측에서 다양한 은하 유형(예: 밀집 대 비밀집, 별 형성 대 휴면) 간의 AGN 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 AGN 은폐 효과를 보정함으로써 시뮬레이션과 관측된 AGN 비율 간의 일치도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 거대한 휴면 은하의 진화적 순서는 어떠한가, 그리고 AGN 활성성과는 어떤 관련이 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션은 전반적인 AGN 및 은하주변 성질을 잘 재현하지만, 어두운 AGN의 수는 약간 과도하게 예측하고( L_x ~ 10^{43–44} erg/s), 빛나는 AGN의 수는 낮게 예측한다( L_x > 10^{44} erg/s).
• 시뮬레이션에서 10^9 Msun 블랙홀의 에딩턴 비율은 관측된 값보다 낮아, 이 질량 범위에서 AGN 피드백이 너무 효율적으로 작용할 가능성이 있음을 시사한다.
• z=0에서 M_star > 10^11 Msun인 휴면 은하의 대부분은 여전히 별을 형성하던 시기에 압축 단계를 거쳤고, 이후 휴면 상태로 전환되었다.
• 적응형 적응형 은폐 보정을 적용한 후, 시뮬레이션된 AGN 비율은 관측 결과와 정량적·정성적으로 잘 일치한다.
• 최고의 AGN 비율(16–20%)은 z~1.5–2에서 밀도 높은 별 형성 은하에서 관측되었고, 가장 낮은 비율(6–10%)은 같은 적색편이에서 밀도 높은 휴면 은하에서 발견되었다.
• 은폐 보정 이후, 특정 별 형성 속도–은하 질량 표면 밀도 다이어그램 내 은하 위치에 따른 AGN 비율의 의존성은 잘 재현되었다.