[논문 리뷰] On the Co-Evolution of the AGN and Star-Forming Galaxy Ultraviolet Luminosity Functions at 3 < z < 9

Steven L. Finkelstein, Micaela B. Bagley|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 넓은 영역, 중간 깊이의 설문 조사 자료를 이용해 3 < z < 9 범위에서 활성 은하핵(AGNs)과 성간 형성 은하의 휴머니즘-프레임 자외선(UV) 등급 함수를 동시에 경험적으로 모델링한다. 연구 결과, AGN의 체적 밀도는 z = 9에서 z = 3로 갈수록 다섯 자리 수준으로 증가하는 반면, 성간 형성 은하의 경우 두 자리 수준으로 증가하며, 이는 AGN 활동보다 훨씬 빠른 증가를 보인다. 또한 z = 9의 등급 함수에서 밝은 끝부분의 평탄함은 AGN 활동 때문이 아니라 피드백 감소 때문임을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Studies of the high-redshift rest-frame ultraviolet (UV) luminosity functions (LFs) have typically treated the star-forming galaxy and active galactic nuclei (AGN) populations separately, as they have different survey depth and area requirements. However, the recent advent of wide-area deep ground-based imaging surveys now probe volumes large enough to discover AGNs, at depths sensitive enough for fainter star-forming galaxies, bridging these two populations. Using results from such surveys as observational constraints, we present a methodology to jointly empirically model the evolution of the rest-UV luminosity functions at z=3-9. We assume both populations have a LF well-described by a double power law modified to allow a flattening at the faint-end, and that all LF parameters evolve smoothly with redshift. This provides a good fit to the observations, and makes predictions to volume densities and redshifts not yet observed. We find that the volume density of bright (M_UV = -28) AGNs rises by five orders of magnitude from z=9 to z=3, while modestly bright (M_UV = -21) galaxies rise by only two orders of magnitude across the same epoch. The observed bright-end flattening of the z=9 LF is unlikely to be due to AGN, and rather is due to a shallowing of the bright-end slope, implying reduced feedback in bright galaxies at early times. Integrating our LFs we find that the intrinsic ionizing emissivity is dominated by galaxies at all z > 3, and this result holds even after applying a notional escape fraction. We compare our AGN LFs to predictions based on different black-hole seeding models, finding decent agreement on average, but that all models are unable to predict the observed abundance of bright AGNs. We make predictions for the upcoming Euclid and Roman observatories, showing that their respective wide-area surveys should be capable of discovering AGNs to z ~ 8.

연구 동기 및 목표

• 3 < z < 9 범위에서 AGN과 성간 형성 은하의 UV 등급 함수의 진화를 동시에 모델링하기.
• 우주의 초기 단계에서 AGN과 성간 형성 은하 집단의 공진화를 이해하기.
• AGN 활동이 관측된 z = 9 등급 함수의 밝은 끝부분 평탄함을 설명할 수 있는지 확인하기.
• 고적색도에서 AGN과 성간 형성 은하가 이온화 방출량에 기여하는 정도 평가하기.
• 향후 유클리드 및 로만 우주 망원경 설문 조사에서 AGN의 탐지 가능성 예측하기.

제안 방법

• 어두운 끝부분의 평탄함을 포함한 수정된 이중 거듭제곱 법칙을 사용해 AGN과 성간 형성 은하의 UV 등급 함수를 경험적으로 모델링한다.
• 모든 등급 함수 매개변수의 적색도에 따라 부드럽게 진화한다고 가정하며, 선형 또는 이차 적색도 의존성을 사용한다.
• 넓은 영역 설문 조사 자료(예: SHELA, VIDEO, Hyper-SuprimeCam)에서 관측 데이터를 29개 매개변수 모델에 맞춘다.
• 등급 함수를 통합하여 내재된 이온화 방출량을 계산하고, 가상의 탈출 분율을 적용한다.
• 유도된 AGN 등급 함수를 블랙홀 씨앗 및 성장 모델의 이론적 예측과 비교한다.
• 유도된 등급 함수를 사용해 유클리드 및 로만 우주 망원경 설문 조사에서 AGN 탐지 가능성을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z = 9의 UV 등급 함수에서 밝은 끝부분의 평탄함은 AGN 활동 때문인가, 아니면 본질적인 은하 진화 때문인가?
• RQ2 z = 9에서 z = 3로 갈수록 AGN과 성간 형성 은하의 체적 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 고적색도에서 어떤 집단—AGN이든 성간 형성 은하든 내재된 이온화 방출량을 주로 차지하는가?
• RQ4 이론적 AGN 등급 함수 모델들이 관측된 밝은 AGN의 빈도를 z ≈ 9에서 재현할 수 있는가?
• RQ5 향후 넓은 시야 설문 조사인 유클리드와 로만이 z > 7에서 상당수의 AGN을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 빛나는 AGN의 체적 밀도(MUV = −28)는 z = 9에서 z = 3로 갈수록 다섯 자리 수준으로 증가한다.
• 중간 밝기의 성간 형성 은하(MUV = −21)의 체적 밀도는 동일한 적색도 범위에서 오직 두 자리 수준으로 증가한다.
• 관측된 z = 9의 등급 함수에서 밝은 끝부분의 평탄함은 AGN 오염 때문이 아니라 밝은 끝부분 기울기의 완만해짐 때문임을 규명했다.
• 합리적인 탈출 분율을 적용한 후에도 성간 형성 은하가 모든 적색도에서 내재된 이온화 방출량을 주로 차지한다.
• 모든 이론적 AGN 등급 함수 모델이 관측된 밝은 AGN의 빈도를 z ≈ 9에서 재현하지 못한다.
• 유클리드 넓은 시야 설문 조사와 로만 고위도 설문 조사에서는 z ∼ 8에서 상당수의 AGN을 탐지할 수 있으나, 전체 재이온화 시대 커버리지를 위해서는 더 깊은 설문 조사가 필요하다.