[논문 리뷰] Relations Between Environments of Quasars and Galaxy Formation

Motohiro Enoki, Masahiro Nagashima외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 08. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 64인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 냉각된 암흑물질의 계층적 군집 구조 프레임워크 내에서 반분석 모델을 사용하여 활성은하핵의 활동을 은하 형성, 특히 주요 병합을 통한 볼록체 형성과 연결한다. 이 모델은 z ≈ 0.2–0.5에서 활성은하핵이 주로 은하 군집에 존재한다고 예측하며, z ≈ 1–2에서는 그 환경이 군집에서 은하단위까지 다양하다고 보고하여 향후 관측적 제약 조건에 대한 검증 가능한 예측을 제시한다.

ABSTRACT

We investigate the environments of quasars such as number distribution of galaxies using a semi-analytic model which includes both galaxy and quasar formations based on the hierarchical clustering scenario. We assume that a supermassive black hole is fueled by accretion of cold gas and that it is a source of quasar activity during a major merger of the quasar host galaxy with another galaxy. This major merger causes spheroid formation of the host galaxy. Our model can reproduce not only general form of the galaxy luminosity functions in the local Universe but also the observed relation between a supermassive black hole mass and a spheroid luminosity, the present black hole mass function and the quasar luminosity functions at different redshifts. Using this model, we predict the mean number of quasars per halo, bias parameter of quasars and the probability distribution of the number of galaxies around quasars. In our model, analysis of the mean number of quasars per halo shows that the spatial distribution of galaxies is different from that of quasars. Furthermore, we found from calculation of the probability distribution of galaxy numbers that at $0.2 \lesssim z \lesssim 0.5$, most quasars are likely to reside in galaxy groups. On the other hand, at $1 \lesssim z \lesssim 2$ most quasars seem to reside in more varied environments than at a lower redshift; quasars reside in environments ranging from small groups of galaxies to clusters of galaxies. Comparing these predictions with observations in future will enable us to constrain our quasar formation model.

연구 동기 및 목표

• 활성은하핵 환경과 은하 형성 간의 물리적 연결 고리를 이해하기 위해.
• 계층적 군집 구조 시나리오 내에서 은하와 활성은하핵 형성의 통합 모델을 개발하기 위해.
• 다양한 적색편이에서 활성은하핵 주변의 은하 공간 분포와 헬로 내 평균 활성은하핵 수를 예측하기 위해.
• 활성은하핵 환경이 활성은하핵 연료 공급 및 초거대 블랙홀 성장의 물리적 메커니즘을 제약할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 특히 대규모 활성은하핵 설문 조사 등을 통해 향후 관측 결과와의 비교를 위한 정량적 예측을 제공하기 위해.

제안 방법

• 모델은 냉각된 암흑물질(CDM) 천문학적 프레임워크와 계층적 구조 형성 기반의 반분석적 접근을 사용한다.
• 어둠의 물질 헬로의 몬테카를로 병합 트리 기반으로 은하 및 활성은하핵 형성을 시뮬레이션하며, 가스 냉각, 항성 형성, 초신성 피드백은 단순화된 방정식으로 모델링된다.
• 주요 병합으로 인한 은하의 병합이 냉각된 가스를 중심부로 이동시키고 초거대 블랙홀의 물질 붕괴를 유도함으로써 활성은하핵 활동이 유도된다.
• 모델은 가스 환류(R = 0.25)와 재가열 효율(β)을 위한 매개변수를 포함한 순간 재순환 근사법을 사용하여 항성 형성 및 가스 진화를 모델링한다.
• 주요 출력물로는 다양한 적색편이에서의 활성은하핵 등급함수, 블랙홀 질량 함수, 은하 등급함수이며, 모두 국지 관측 결과와 비교된다.
• 모델은 헬로당 평균 활성은하핵 수, 활성은하핵 주변의 은하 수 확률 분포, 공간적 은하-활성은하핵 교차상관 함수를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계층적 은하 형성 모델에서 활성은하핵의 환경은 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 다양한 적색편이에서 활성은하핵 주변의 은하 분포는 어떻게 예측되며, 관측 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 병합 유도 활성은하핵 연료 공급 모델은 관측된 활성은하핵 및 블랙홀 질량 함수를 재현할 수 있는가?
• RQ4 계층적 구조 형성의 맥락에서 볼록체 형성과 활성은하핵 활동 사이에 물리적 연결 고리가 존재하는가?
• RQ5 모델에서 활성은하핵의 편향성 및 군집 성질은 일반 은하와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 모델은 국지 은하 등급함수, 블랙홀 질량–볼록체 등급함수 관계, 현재의 블랙홀 질량 함수, 여러 적색편이에서의 활성은하핵 등급함수를 성공적으로 재현한다.
• 적색편이 0.2 ≲ z ≲ 0.5에서 모델은 대부분의 활성은하핵이 은하 군집에 존재한다고 예측하며, 저적 관측 결과와 일치한다.
• 높은 적색편이(1 ≲ z ≲ 2)에서는 활성은하핵이 작은 군집에서 부터 풍부한 군집까지 다양한 환경에 존재한다고 예측되어, 더 큰 환경 다양성을 시사한다.
• 은하의 공간 분포는 활성은하핵과 다름을 보이며, 활성은하핵이 일반 은하 분포의 단순한 추적자라고 보기는 어렵다는 것을 시사한다.
• 높은 적색편이에서 활성은하핵 주변의 은하 수 확률 분포는 이중 피크 또는 넓어진 피크를 보이며, 다양한 병합 환경을 반영한다.
• 모델은 활성은하핵에 대해 비자명한 편향 매개변수를 예측하며, 이는 특히 고적에서 일반 은하보다 활성은하핵이 더 강하게 군집되어 있음을 의미한다.