[논문 리뷰] The dependence of the fraction of radio luminous quasars on redshift and its theoretical implications

Katarzyna Rusinek, M. Sikora|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 136인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 블랙홀 질량과 에딩턴 비율에 의한 편향을 보정하면서 은하핵 활성은하(은하핵 활성은하)의 전파-강한 활성은하핵 비율(RLF)의 적색편이 의존성을 조사한다. 동일한 조건의 은하핵 활성은하 샘플을 두 개의 적색편이 구간(0.7 ≤ z < 1.9 및 0.5 ≤ z < 0.7)에 대해 사용하여, RLF는 우주 시간이 지남에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 주로 순수 나선형 은하 간 융합보다 혼합 융합(타원은하 + 나선은하)의 감쇠 속도가 더 느리기 때문이다. 이는 전파-강한 활성은하핵의 형성에 자기장이 억제되는 디스크(MAD) 모델이 우주 배터리 메커니즘을 통해 작용함을 지지한다.

ABSTRACT

While radio emission in quasars can be contributed to by a variety of processes (involving star forming regions, accretion disk coronas and winds, and jets), the powering of the radio loudest quasars must involve very strong jets, presumably launched by the Blandford-Znajek mechanism incorporating the magnetically arrested disk (MAD) scenario. We focus on the latter and investigate the dependence of their fraction on redshift. We also examine the dependence of the radio-loud fraction (RLF) on BH mass ($M_{ m BH}$) and Eddington ratio ($\lambda_{ m Edd}$) while excluding the redshift bias by narrowing its range. In both these investigations we remove the bias associated with: (1) the diversity of source selection by constructing two well-defined, homogeneous samples of quasars (first within $0.7 \leq z < 1.9$, second within $0.5 \leq z < 0.7$); (2) a strong drop in the RLF of quasars at smaller BH masses by choosing those with BH masses larger than $10^{8.5} M_{\odot}$. We confirm some previous results showing the increase in the fraction of radio-loud quasars with cosmic time and that this trend can be even steeper if we account for the bias introduced by the dependence of the RLF on BH mass whereas the bias introduced by the dependence of the RLF on Eddington ratio is shown to be negligible. Assuming that quasar activities are triggered by galaxy mergers we argue that such an increase can result from the slower drop with cosmic time of mixed mergers than of wet mergers.

연구 동기 및 목표

• 선택 편향을 보정하면서 은하핵 활성은하의 전파-강한 비율(RLF)이 적색편이에 어떻게 의존하는지 조사하기 위해.
• 블랙홀 질량(MBH)과 에딩턴 비율(λEdd)이 RLF에 미치는 영향을 적색편이 편향과 분리하여 평가하기 위해.
• 관측된 RLF가 우주의 시간이 지남에 따라 증가하는 이유가 융합 유도형 자기장 억제 디스크(MAD) 형성과 관련된지를 시험하기 위해.
• 특히 혼합(지상 타원은하 + 나선은하)과 순수 나선은하(나선은하 + 나선은하) 융합 유형 간의 차이가 RLF 진화에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 '우주 배터리' 시나리오를 포함한 MAD 형성 메커니즘의 이론적 함의를 탐색하여 은하핵 활성은하의 전파-강성의 기원을 설명하기 위해.

제안 방법

• 선택 함수 편향을 최소화하기 위해, 0.7 ≤ z < 1.9 및 0.5 ≤ z < 0.7의 두 개의 균일하고 명확하게 정의된 은하핵 활성은하 샘플을 구축하였다.
• RLF에 강한 영향을 미치는 저질량 블랙홀의 영향을 제거하기 위해, MBH > 10^8.5 M⊙인 은하핵 활성은하만을 선택하였다.
• 파이썬 패키지 lifelines를 통해 카프만-마이어 추정기(Kaplan-Meier estimator)를 사용하여 생존 함수와 적색편이에 따른 RLF 진화를 계산하였다.
• 표준 켈러먼 전파-강성 지표 RK로 변환하기 위해, 전파 및 적외선 빛의 세기를 보정하기 위해 스펙트럼 기울기 보정(⟨αr⟩ = 0.7, ⟨αo⟩ = 0.5)을 적용하였다.
• 은하핵 활성은하 활동이 은하 융합에 의해 유도된다고 가정하고, 수분 융합(wet, 나선은하-나선은하)과 혼합 융합(지상 타원은하 + 나선은하)의 융합 비율을 비교함으로써 RLF 진화를 모델링하였다.
• 관측된 RLF 경향을 설명하기 위해, '우주 배터리' 및 현지에서 형성되는 방식과 같은 MAD 형성 이론적 시나리오를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀 질량과 에딩턴 비율의 편향을 보정한 후 은하핵 활성은하의 전파-강성 비율(RLF)이 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 블랙홀 질량과 에딩턴 비율이 관측된 RLF 진화에 기여하는 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 우주의 시간이 지남에 따라 RLF가 증가하는 현상은 혼합(타원은하 + 나선은하) 융합과 순수 나선은하 융합의 융합 비율 변화 차이로 설명될 수 있는가?
• RQ4 관측된 RLF 경향과 가장 잘 부합하는 MAD 형성 메커니즘은 무엇인가? ('우주 배터리', 축방향 자기장의 확산, 낮은 질량 유입 단계에서의 생존 중 어느 것인가)?
• RQ5 은하핵 활성은하의 주변 은하 성질(예: 거대 타원은하)과 환경(암흑물질 홀로 질량)은 RLF와 어떻게 상관관계가 있으며, 이는 제트 형성에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 블랙홀 질량에 의한 편향을 보정한 후, 전파-강성 은하핵 활성은하의 비율은 우주의 시간이 지남에 따라 증가하며, 이 경향은 이전에 보고된 것보다 더 급격하다.
• RLF에 대한 에딩턴 비율의 영향는 미미한 것으로 나타나, 질량 유입률만으로는 전파-강성의 원인이 되지 않는 것으로 나타났다.
• 관측된 RLF의 우주적 시간 증가 경향은 혼합 융합(거대 타원은하 + 나선은하)의 감쇠 속도가 순수 나선은하 융합보다 느리기 때문에 가장 잘 설명된다.
• 대부분의 전파-강성 은하핵 활성은하는 거대 타원은하에 존재하며, 전파-약한 은하핵 활성은하보다 더 높은 밀도의 환경과 더 큰 암흑물질 홀로 질량을 가진다.
• 결과는 특히 융합 후 블랙홀이 공전 또는 반공전 구성을 취하는 시스템에서 '우주 배터리' 시나리오가 MAD 형성에 가장 잘 부합함을 지지한다.
• 스펙트럼 기울기 보정 후, 0.5 ≤ z < 0.7 샘플의 RLF는 약 0.59 × (Lν1.4 / Lνi)이며, 0.7 ≤ z < 1.9 샘플의 RLF는 약 0.12 × (Lν144 / Lνi)이다.