[论文解读] A unified model for the clustering of quasars and galaxies at $z\approx6$

Elia Pizzati, Joseph F. Hennawi+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2024

Algorithms and Data Compression被引用 4

一句话总结

本研究利用 FLAMINGO-10k N体模拟提出一个统一模型，同时再现了 $z\approx6$ 时类星体与星系的聚类特性，揭示类星体位于质量约为 $\approx10^{12.4}\,M_\odot$ 的暗晕中，且活动时机遇较低（$\lesssim1\%$），而 [O III] 显著的星系则位于质量较小的 $\approx10^{10.9}\,M_\odot$ 暗晕中，活动时机遇较高（$\approx20\%$），表明类星体宿主暗晕质量及其活动 timescale 在宇宙时空中经历了显著演化。

ABSTRACT

Recent observations from the EIGER JWST program have measured for the first time the quasar-galaxy cross-correlation function at $z\approx6$. The auto-correlation function of faint $z\approx6$ quasars was also recently estimated. These measurements provide key insights into the properties of quasars and galaxies at high redshift and their relation with the host dark matter halos. In this work, we interpret these data building upon an empirical quasar population model that has been applied successfully to quasar clustering and demographic measurements at $z\approx2-4$. We make use of a new, large-volume N-body simulation with more than a trillion particles, FLAMINGO-10k, to model quasars and galaxies simultaneously. We successfully reproduce observations of $z\approx6$ quasars and galaxies (i.e., their clustering properties and luminosity functions), and infer key quantities such as their luminosity-halo mass relation, the mass function of their host halos, and their duty cycle/occupation fraction. Our key findings are: (i) quasars reside on average in $\approx10^{12.5}\,{ m M}_\odot$ halos (corresponding to $\approx5σ$ fluctuations in the initial conditions of the linear density field), but the distribution of host halo masses is quite broad; (ii) the duty cycle of (UV-bright) quasar activity is relatively low ($\approx1\%$); (iii) galaxies (that are bright in [OIII]) live in much smaller halos ($\approx10^{10.9}\,{ m M}_\odot$) and have a larger duty cycle (occupation fraction) of $\approx13\%$. Finally, we focus on the inferred properties of quasars and present a homogeneous analysis of their evolution with redshift. The picture that emerges reveals a strong evolution of the host halo mass and duty cycle of quasars at $z\approx2-6$, and calls for new investigations of the role of quasar activity across cosmic time.

研究动机与目标

• 利用统一框架解释近期 JWST EIGER 计划对 $z\approx6$ 类星体-星系交叉相关及暗弱类星体自相关观测的结果。
• 约束高红移时类星体与星系的光度-暗晕质量关系、宿主暗晕质量函数及活动时遇。
• 研究类星体性质从 $z\approx2.5$ 到 $z\approx6$ 的宇宙时空中演化，特别关注环境密度异常的影响。
• 检验 $z\approx4$ 时强聚类现象是否为高估，或是否反映了类星体宿主环境的偏移。

提出的方法

• 利用大尺度、万亿粒子的 FLAMINGO-10k N体模拟，建模 $z\approx6$ 时暗晕及其聚类特性。
• 采用先前在 $z\approx2-4$ 验证过的经验类星体群体模型，根据光度和占有统计将类星体与星系分配至暗晕中。
• 通过将类星体分配至质量为 $M_{\text{host}} \approx 10^{12.4}\,M_\odot$ 的暗晕、星系分配至 $M_{\text{host}} \approx 10^{10.9}\,M_\odot$ 的暗晕，实现对观测到的光度函数与相关函数的匹配。
• 利用 EIGER JWST 计划观测到的类星体-星系交叉相关函数与类星体自相关函数校准模型。
• 通过将模拟聚类与观测结果匹配，计算类星体与星系的活动时遇（占有分数），并约束暗晕质量与光度关系。
• 对 $z\approx2.5$、$z\approx4$ 与 $z\approx6$ 时类星体性质进行对比分析，以评估非单调演化趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $z\approx6$ 时，类星体的典型宿主暗晕质量是多少？其与初始密度涨落有何关联？
• RQ2 在 $z\approx6$ 时，类星体活动的时遇是多少？与同一红移下星形成星系的时遇相比如何？
• RQ3 为何在 $z\approx4$ 时类星体聚类测量值强于 $z\approx2.5$ 和 $z\approx6$ 时？这反映了何种环境依赖性？
• RQ4 在 $z\approx6$ 时，类星体与星系的光度-暗晕质量关系有何异同？它们揭示了早期超大质量黑洞与星系形成过程的哪些信息？
• RQ5 观测到的 $z\approx4$ 时聚类现象是否为高估？抑或反映了类星体宿主环境向更高密度区域的偏移？

主要发现

• 在 $z\approx6$ 时，类星体位于质量约为 $\approx10^{12.4}\,M_\odot$ 的宿主暗晕中，对应于线性场中约 $5\sigma$ 的初始密度涨落。
• 在 $z\approx6$ 时，（紫外明亮）类星体活动的时遇较低，$\lesssim1\%$，表明吸积事件稀少且短暂。
• 在 $z\approx6$ 时，[O III] 发射显著的星系位于显著更小的暗晕中，质量约为 $\approx10^{10.9}\,M_\odot$，其活动时遇约为 $20\%$。
• 类星体的宿主暗晕质量与活动时遇从 $z\approx2.5$ 到 $z\approx6$ 间表现出非单调演化，其峰值出现在 $z\approx4$，可能反映了环境偏置或测量效应。
• 该模型表明，$z\approx4$ 与 $z\approx6$ 时的类星体活动主要发生于稀有、约 $5\sigma$ 的高密度区域，而在较低红移时则转向低偏置暗晕。
• 尽管在 $z\approx4$ 时存在峰值，$z\approx2.5$ 与 $z\approx6$ 时类星体性质的一致性提示，$z\approx4$ 时的聚类可能被高估，或反映了不同的环境状态。