[논문 리뷰] Unleashing Positive Feedback: Linking the Rates of Star Formation and Supermassive Black Hole Accretion

Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 24.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 활성은하핵(AGN)에서 발생하는 제트와 풍압이, 특히 고적색도에서 가스가 풍부한 디스크에서 별 형성 효율을 조절함으로써 별 형성률을 향상시킬 수 있다고 제안한다. 블랙홀 질량 증가, 별 형성, 그리고 유출률 간의 분석적 관계를 유도하여 시간에 따른 주요 질량 및 비율을 예측하며, AGN에 의해 유도된 별 형성의 검증 가능한 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

Pressure-regulated star formation is a simple variant on the usual supernova-regulated star formation efficiency that controls the global star formation rate as a function of cold gas content in star-forming galaxies, and accounts for the Schmidt-Kennicutt law in both nearby and distant galaxies. Inclusion of AGN-induced pressure, by jets and/or winds that flow back onto a gas-rich disk, can lead under some circumstances to significantly enhanced star formation rates, especially at high redshift and most likely followed by the more widely accepted phase of star formation quenching. Simple expressions are derived that relate supermassive black hole growth, star formation and outflow rates. The ratios of black hole to spheroid mass and of both black hole accretion and outflow rates to star formation rate are predicted as a function of time. I suggest various tests of the AGN-triggered star formation hypothesis.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 압력 조절 별 형성에 기반해 은하의 우주적 역사 전반에 걸친 샤를름-켄니컷 법칙을 설명하기 위해.
• AGN 유출(제트 및 풍압)이 별 형성률을 억제하는 대신 일시적으로 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 시간에 따라 블랙홀 질량 증가율, 별 형성율, 그리고 유출율 간의 분석적 표현을 유도하기 위해.
• 시간에 따른 주요 비율(블랙홀 대 스피로이드 질량 비율, 질량 증가/유출율 대 별 형성율 비율)의 진화를 예측하기 위해.
• AGN에 의해 유도된 별 형성 가설을 검증할 수 있는 관측적 서명을 제안하기 위해.

제안 방법

• 초신성 피드백을 AGN 유출에 의한 압력 조절로 대체함으로써 샤를름-켄니컷 법칙을 수정한다.
• AGN에 의해 유도된 압력을 디스크 내 냉각 가스를 압축시키는 역방향 유동 성분으로 모델링하여 별 형성 효율을 향상시킨다.
• 냉각 가스 표면 밀도와 시간의 함수로 별 형성율, 블랙홀 질량 증가율, 유출율에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 초기 증가 후 억제가 발생하는 시간에 따라 변하는 피드백 모델을 도입하여 관측된 은하 진화와 일치시킨다.
• 간단한 해석적 해를 사용하여 주요 무차원 비율(예: M_BH/M_spheroid, L_acc/L_SFR)의 진화를 예측한다.
• 고적색도 은하에서 이러한 비율의 시간적 진화에 기반한 관측적 검증을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트와 풍압에 의해 유도된 AGN 압력은 특히 고적색도에서 가스가 풍부한 디스크에서 별 형성률을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이 모델에서 블랙홀 질량 증가율, 유출율, 별 형성율 간의 비율은 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이 피드백 메커니즘 하에서 블랙홀 질량 대 스피로이드 질량 비율은 예측적으로 어떻게 진화하는가?
• RQ4 이 모델은 근접한 은하와 먼 은하 모두에서 관측된 샤를름-켄니컷 관계를 재현하는가?
• RQ5 AGN에 의해 유도된 별 형성과 다른 피드백 시나리오를 구별할 수 있는 관측적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• AGN에 의해 유도된 압력은 특히 고적색도에서 냉각 가스의 압축으로 인해 가스가 풍부한 디스크에서 별 형성률을 크게 향상시킬 수 있다.
• 초신성 피드백을 압력 조절로 대체함으로써 이 모델은 근접한 은하와 먼 은하 모두에서 샤를름-켄니컷 법칙을 재현한다.
• 블랙홀 질량 증가율 대 별 형성율 비율은 시간에 따라 변화하며, 초기에 피크에 도달한 후 감소하는 경향을 보이며, 억제 단계와 일치한다.
• 블랙홀 질량 대 스피로이드 질량 비율은 이 모델에서 시간이 지남에 따라 증가하며, 거대 은하에서 관측된 추세와 일치한다.
• 모델은 AGN 발생 직후 일시적인 별 형성률 증가 단계를 예측하며, 이어 억제가 발생하는 순서를 제공하여 검증 가능한 시퀀스를 제안한다.
• 냉각 가스 함량과 시간의 함수로 별 형성율, 블랙홀 질량 증가율, 유출율을 연결하는 분석적 표현이 도출되었다.