[논문 리뷰] Synchronized Co-evolution between Supermassive Black Holes and Galaxies Over the Last Seven Billion Years as Revealed by the Hyper Suprime-Cam

Junyao Li, J. D. Silverman외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 122인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 0.2 < z < 0.8 범위 내에서 균일하게 선택된 584개의 SDSS 활성은하핵을 Hyper Suprime-Cam 영상 및 비르발 블랙홀 질량 추정치를 사용하여 분석하여 MBH–M⋆ 관계의 진화를 조사한다. 선택 편향과 측정 불확실성 보정을 위한 몽테카를로 모의 시뮬레이션을 통해 전방향 모델링을 수행한 결과, z ∼0.8 이후 MBH–M⋆ 관계에 유의미한 진화가 없음을 발견하였으며, 내재 산란은 0.25+0.03−0.04 dex로 국소 값과 일치하여, AGN 피드백 또는 공통 가스 공급에 의해 이끌리는 강력한 동반 진화가 가능하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We measure the evolution of the $M_{ m BH}-M_*$ relation using 584 uniformly-selected SDSS quasars at $0.2<z<0.8$. The black-hole masses ($M_{ m BH}$) are derived from the single-epoch virial mass estimator using the H$\beta$ emission line, and span the range $7.0<{ m log}\,M_{ m BH}/M_\odot<9.5$. The host-galaxy stellar masses ($M_*$), which cover the interval $10.0<{ m log}\,M_* / M_\odot <11.5$, are determined by performing two-dimensional quasar-host decomposition of the Hyper Suprime-Cam images and spectral energy distribution fitting. To quantify sample-selection biases and measurement uncertainties on the mass terms, a mock quasar sample is constructed to jointly constrain the redshift evolution of the $M_{ m BH}-M_*$ relation and its intrinsic scatter ($\sigma_\mu$) through forward modeling. We find that the level of evolution is degenerate with $\sigma_\mu$, such that both positive mild evolution (i.e, $M_{ m BH}/M_*$ increases with redshift) with a small $\sigma_\mu$, and negative mild evolution with a larger $\sigma_\mu$ are consistent with our data. The posterior distribution of $\sigma_\mu$ enables us to put a strong constraint on the intrinsic scatter of the $M_{ m BH}-M_*$ relation, which has a best inference of $0.25_{-0.04}^{+0.03}$ dex, consistent with the local value. The redshift evolution of the $M_{ m BH}-M_*$ relation relative to the local relation is constrained to be $(1+z)^{0.12_{-0.27}^{+0.28}}$, in agreement with no significant evolution since $z\sim0.8$. The tight and non-evolving $M_{ m BH}-M_*$ relation is suggestive of a coupling through AGN feedback or/and a common gas supply at work, thus restricting the mass ratio of galaxies and their black holes to a limited range. Given the considerable stellar disk component, the $M_{ m BH}-M_{ m bulge}$ relation may evolve as previously seen at higher redshifts.

연구 동기 및 목표

• 멀리 떨어진 우주에서 초거대 블랙홀 질량–은하 별질량(MBH–M⋆) 관계의 적색편이 진화를 조사하기 위해.
• 고적색편이 활성은하핵 샘플에서 관측된 MBH–M⋆ 관계를 왜곡시킬 수 있는 샘플 선택 편향과 측정 불확실성을 다루기 위해.
• 최근 70억 년 동안 MBH–M⋆ 관계가 유의미하게 진화하는지, 특히 AGN 피드백 또는 공통 가스 공급 메커니즘의 맥락에서 평가하기 위해.
• 중간 적색편이에서 은하 형상(예: 디스크 대비 볼류지배)이 MBH–M⋆ 및 MBH–Mbulge 관계를 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• 관측된 MBH–M⋆ 관계가 국소 관계와 일치하는지, 또는 선택 편향이나 물리적 과정으로 인한 진화 증거가 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 0.2 < z < 0.8 범위의 584개의 SDSS 활성은하핵에 대해 grizy 대역에서의 깊고 고해상도의 Hyper Suprime-Cam(HSC) 영상 데이터를 활용하여 이차원적 활성은하핵–은하핵 분리 분석을 수행하였다.
• 분리된 은하핵 성분의 스펙트럼 에너지 분포(SED) 피팅을 통해 은하핵의 별질량(M⋆)을 측정하였다.
• Hβ 선폭과 AGN 빛의 세기를 기반으로 단일 에포크 비르발 질량 추정기를 사용하여 블랙홀 질량(MBH)을 추정하였다.
• 적색편이 진화, 내재 산란(σµ), 관측 편향(예: 등급 한계, 선택 함수)을 포함한 몽테카를로 활성은하핵 샘플을 전방향 모델링을 통해 구축하였다.
• 관측 데이터와 모의 분포를 비교하여 베이지안 추론을 사용하여 MBH–M⋆ 관계의 적색편이 진화와 내재 산란을 동시에 제약 조건으로 설정하였다.
• 비르발 질량 추정치의 빛의 세기에 따른 편향과 MBH에 따른 AGN 활성 주기 의존성과 같은 샘플 선택 편향을 보정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ∼0.8에서 현재까지 MBH–M⋆ 관계가 유의미하게 진화하는가?
• RQ2 샘플 선택 효과와 측정 불확실성이 고적색편이 활성은하핵 샘플의 관측된 MBH–M⋆ 관계에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 z ∼0.8에서의 MBH–M⋆ 관계의 내재 산란(σµ)은 얼마이며, 국소 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 중간 적색편이에서 활성은하핵의 은하 형상(디스크 지배 대비 볼류지배)이 MBH–M⋆ 및 MBH–Mbulge 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 z ∼0.8에서의 MBH–M⋆ 관계는 국소 MBH–Mbulge 관계와 일치하는가? 이는 거대 은하의 진화 경로에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 국소 관계 대비 MBH–M⋆ 관계의 적색편이 진화는 (1 + z)^0.12+0.28−0.27로 제약되며, z ∼0.8 이후 통계적으로 유의미한 진화가 없음을 시사한다.
• MBH–M⋆ 관계의 내재 산란(σµ)은 0.25+0.03−0.04 dex로 측정되었으며, 국소 값과 일치하며 선택 편향에 대해 강건함을 입증한다.
• 최근 70억 년 동안 MBH–M⋆ 관계에 유의미한 진화가 없음을 확인하여, AGN 피드백 또는 공통 가스 공급에 의해 이끌리는 동반 진화 메커니즘이 존재할 가능성이 높음을 시사한다.
• z ∼0.8에서 디스크 지배 활성은하핵은 총 별질량(M⋆)을 사용할 경우 국소 MBH–Mbulge 관계를 따르지만, 향후 3–7 Gyr 동안 볼류지배 질량을 ≳2배로 증가시켜야 국소 MBH–Mbulge 관계에 맞출 수 있다.
• 볼류지배 및 디스크 지배 활성은하핵 모두에서 관측된 MBH/M⋆ 비율은 국소 MBH/Mbulge 비율과 일치하여, MBH–M⋆ 관계가 국소 MBH–Mbulge 관계의 전구로 볼 수 있음을 시사한다.
• 합성은 가능성이 더 높은 것으로 보이며, 질량이 큰 은하(log M⋆ > 10.8)에서는 내재 산란이 더 작다(σµ = 0.21+0.04−0.04 dex), 반면 질량이 작은 은하에서는 더 크다(σµ = 0.29+0.04−0.05 dex).