[논문 리뷰] The impact of black hole feedback on the UV luminosity and stellar mass assembly of high-redshift galaxies

Olmo Piana, Pratika Dayal외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 113인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 고적색우주 은하(z ≈ 4–6)에서 블랙홀 피드백이 우주선 복사 및 별질량 조립에 미치는 영향을 Delphi 반분석 모델을 사용하여 조사한다. 결과적으로 AGN는 밝은 은하(M_UV < −24 mag)에서 별 복사 방출을 초월할 수 있으며, 블랙홀 에너지 출력이 허브 바인딩 에너지의 약 1%일 때 피드백이 가장 효과적이며, z = 5에서 M_h ~ 10^11.75 M⊙인 허브에서 별 형성률이 3배 감소한다.

ABSTRACT

We employ the Delphi semi-analytical model to study the impact of black hole growth on high-redshift galaxies, both in terms of the observed UV luminosity and of the star formation rate. To do this, firstly, we assess the contribution of AGN to the total galaxy UV luminosity as a function of stellar mass and redshift. We find that for $M_{UV} < -24$ mag and $z \approx 5 - 6$ the galaxies for which the black hole UV luminosity outshines the stellar UV emission become the majority, and we estimate their duty cycle. Secondly, we study the evolution of the AGN and stellar luminosity functions (LFs), finding that it is driven both by changes in their characteristic luminosities (i.e. evolution of the intrinsic brightness of galaxies) and in their normalizations (i.e. evolution of the number densities of galaxies), depending on the luminosity range considered. Finally, we follow the mass assembly history for three different halo mass bins, finding that the magnitude of AGN-driven outflows depends on the host halo mass. We show that AGN feedback is most effective when the energy emitted by the accreting black hole is approximately $1\%$ of the halo binding energy, and that this condition is met in galaxies in halos with $M_h \sim 10^{11.75} M_\odot$ at $z=4$. In such cases, AGN feedback can drive outflows that are up to 100 times more energetic than SN-driven outflows, and the star formation rate is a factor of three lower than for galaxies of the same mass without black hole activity.

연구 동기 및 목표

• 고적색우주 은하의 총 UV 복사에서 AGN 기여도를 정량화하는 것, 특히 UVLF의 밝은 꼬리 부분에서의 기여도를 중심으로 한다.
• UVLF에서 AGN와 별의 기여를 분리하여 그 진화를 이해하고, 우주 시간에 따라 어떻게 변화하는지 분석한다.
• z > 4에서 다양한 허브 질량을 가진 은하에서 AGN 피드백이 별 형성과 질량 조립에 미치는 영향을 평가한다.
• SN 피드백과 비교할 때 AGN 피드백이 주요 억제 메커니즘으로 작용하는 조건을 규명한다.
• 블랙홀 에너지 출력이 허브 바인딩 에너지에 비해 어떤 비율일 때 효과적인 유동과 별 형성 억제를 이끌 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• z ≈ 4에서 6까지의 어둠센 물질 허브에서 은하 형성과 블랙홀 성장을 시뮬레이션하기 위해 Delphi 반분석 모델을 활용한다.
• Ueda 등 (2014) 및 Merloni 등 (2014)의 AGN 가시성 보정을 적용하여 AGN 탐지에서 은폐 효과를 보정한다.
• AGN 및 별 성분의 별도 UV 복사함수(LF)를 추적하고, 그들의 병합된 진화를 분석한다.
• SN 및 AGN 유도 유동의 질량 적재 요소(η)를 계산하여 상대적인 에너지 및 질량 방출 효율을 비교한다.
• 블랙홀 복사 에너지 출력과 허브 바인딩 에너지의 비율을 계산하여 최대 피드백 효율을 위한 임계 조건을 규명한다.
• 융합 트리 데이터를 분석하여 다양한 허브 질량 범주에서 AGN 모드가 지배하는 비율과 시간 비율(도핑 주기)을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색우주 은하에서 AGN는 M_UV < −24 mag 및 z ≈ 5–6에서 총 UV 복사에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 AGN와 별의 UV 복사함수(LF)는 적색편이에 따라 어떻게 진화하며, 그 진화의 원인은 복사 강도 변화인지 수밀도 변화인지?
• RQ3 어느 허브 질량과 적색편이에서 AGN 피드백이 별 형성 억제에 가장 효과적인가? 그리고 이 효과의 물리적 임계 조건은 무엇인가?
• RQ4 다른 질량을 가진 은하에서 AGN 유도 유동 에너지가 언제 SN 유도 유동 에너지를 초월하는가?
• RQ5 대량 블랙홀을 포함한 은하에서 AGN 피드백은 별 형성률과 별질량 조립에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• z ≈ 5–6에서 M_UV < −24 mag인 은하의 다수에서 AGN UV 복사가 별 방출보다 약 100배 높으며, 은폐 보정 후 도핑 주기는 약 16%로 추정된다.
• 저질량 은하 후손의 별 UV LF는 z ≈ 8까지 빛나는 복사로 진화하지만, 고질량 은하의 LF는 계속 진화하여 총 UVLF의 밝은 꼬리에서 빛의 강도 변화가 주요 원인임을 시사한다.
• M_h|z=4 ≈ 10^11.4 M⊙인 허브에서 z ≈ 5–6에 AGN 유도 유동이 SN 유도 유동을 압도하며, 저질량 허브에서는 더 이른 시기부터 전환이 발생한다.
• 저질량 허브(M_h ~ 10^11.75 M⊙)에서 AGN 유도 유동의 질량 적재 요소는 η_bh ≈ 10^3.7에 도달하며, 동일 질량 범위에서 SN 피드백(η_sn ≈ 13)보다 크게 초월한다.
• z = 5에서 M* ~ 10^9.5 M⊙인 은하에서 블랙홀 복사 에너지 출력이 허브 바인딩 에너지의 약 1%일 경우, AGN 피드백으로 인해 별 형성률이 3배 감소한다.
• 가장 효과적인 피드백은 z = 4에서 M_h ~ 10^11.75 M⊙인 허브에서 발생하며, 이는 적응 중인 블랙홀의 에너지 출력이 허브 바인딩 에너지의 약 1%일 때이며, 이는 최대 유동 에너지와 억제 효율을 극대화한다.