[논문 리뷰] A universal relation between the properties of supermassive black holes, galaxies, and dark matter halos

Antonino Marasco, G. Cresci외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 4인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 55개의 근접 은하에서 초거대 블랙홀 질량(M_BH), 다크 물질 허브 질량(M_h), 그리고 항성 대 허브 질량 비율(f_★) 사이의 보편적 관계를 수립한다. M_BH와 M_h는 강하게 상관되며, f_★와는 반비례 관계에 있다. 모델은 M_h ≈ 10^12 M_⊙에서 관측된 M_BH–M_h 관계의 붕괴와, 고정된 M_BH에서 f_★와 형상 유형 간의 상관관계를 ΛCDM 프레임워크 내에서 피드백 조절된 적재를 통해 설명한다.

ABSTRACT

We study the relations between the mass of the central black hole (BH) $M_{ m BH}$, the dark matter halo mass $M_{ m h}$, and the stellar-to-halo mass fraction $f_\star\propto M_\star/M_{ m h}$ in a sample of $55$ nearby galaxies with dynamically measured $M_{ m BH}>10^6\,{ m M}_\odot$ and $M_{ m h}>5 imes10^{11}\,{ m M}_\odot$. The main improvement with respect to previous studies is that we consider both early- and late-type systems for which $M_{ m h}$ is determined either from globular cluster dynamics or from spatially resolved rotation curves. Independently of their structural properties, galaxies in our sample build a well defined sequence in the $M_{ m BH}$-$M_{ m h}$-$f_\star$ space. We find that: (i) $M_{ m h}$ and $M_{ m BH}$ strongly correlate with each other and anti-correlate with $f_\star$; (ii) there is a break in the slope of the $M_{ m BH}$-$M_{ m h}$ relation at $M_{ m h}$ of $10^{12}\,{ m M}_\odot$, and in the $f_\star$-$M_{ m BH}$ relation at $M_{ m BH}$ of $\sim10^7\!-\!10^8\,{ m M}_\odot$; (iii) at a fixed $M_{ m BH}$, galaxies with a larger $f_\star$ tend to occupy lighter halos and to have later morphological types. We show that the observed trends can be reproduced by a simple equilibrium model in the $\Lambda$CDM framework where galaxies smoothly accrete dark and baryonic matter at a cosmological rate, having their stellar and black hole build-up regulated both by the cooling of the available gas reservoir and by the negative feedback from star formation and active galactic nuclei (AGN). Feature (ii) arises as the BH population transits from a rapidly accreting phase to a more gentle and self-regulated growth, while scatter in the AGN feedback efficiency can account for feature (iii).

연구 동기 및 목표

• 근접 은하에서 초거대 블랙홀 질량(M_BH), 다크 물질 허브 질량(M_h), 그리고 항성 대 허브 질량 비율(f_★) 사이의 보편적 관계를 수립하기 위해.
• 초기형 및 후기형 은하가 M_BH–M_h–f_★ 공간에서 동일한 척도 관계를 따르는지 조사하기 위해.
• 관측된 M_BH–M_h 및 f_★–M_BH 관계의 붕괴 원인을 규명하기 위해.
• 피드백 효율의 산란이 고정된 M_BH에서 관측된 상관관계를 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 관측된 척도 관계를 재현할 수 있는 단순한 평형 모델을 ΛCDM 프레임워크 내에서 개발하기 위해.

제안 방법

• 역학적 측정을 통해 M_BH > 10^6 M_⊙ 및 M_h > 5×10^11 M_⊙를 가진 55개의 근접 은하 샘플을 사용하였다.
• 공간적으로 분해된 회전곡선과 궤도 클러스터 운동을 활용하여 정확한 M_h 추정치를 도출하였으며, 프록시 기반 방법을 피했다.
• M_BH–M_h–f_★ 매개변수 공간을 분석하여 상관관계와 구조적 붕괴를 규명하였다.
• 바리온 및 다크 물질이 천체물리적 속도로 적재되며, 냉각과 항성 및 AGN의 피드백에 의해 조절되는 ΛCDM 기반 평형 모델을 개발하였다.
• 관측된 관계를 일치시키기 위해 항성 및 AGN 피드백 효율과 관련된 다섯 개의 자유 매개변수를 조정하였다.
• 빠른 적재에서 자가 조절 성장으로의 전이를 시뮬레이션하여 M_h ≈ 10^12 M_⊙에서 관측된 붕괴를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 은하 유형에 걸쳐 M_BH, M_h, f_★ 사이에 보편적 관계가 존재하는가?
• RQ2 왜 M_h ≈ 10^12 M_⊙에서 M_BH–M_h 관계에 관측된 붕괴가 발생하는가?
• RQ3 고정된 M_BH에서 더 높은 f_★를 가진 은하는 왜 더 낮은 질량의 허브를 차지하며, 더 후기형 허블 T형을 가질까?
• RQ4 ΛCDM 프레임워크 내에서 피드백 조절된 적재가 관측된 척도 관계와 그 산란을 재현할 수 있는가?
• RQ5 피드백 효율의 차이가 고정된 M_BH에서 관측된 추세를 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• 샘플의 은하는 M_BH–M_h–f_★ 공간에서 잘 정의된 일차원 시퀀스를 형성하며, 블랙홀, 허브, 항성 구성 요소 간의 강한 공진화를 시사한다.
• M_BH–M_h 관계는 M_h ≈ 10^12 M_⊙에서 뚜렷한 붕괴를 보이며, 낮은 허브 질량에서는 기울기가 더 급하고, 높은 질량에서는 더 완만하다.
• f_★–M_BH 관계 역시 M_BH ≈ 10^7–10^8 M_⊙에서 붕괴를 보이며, 빠른 성장에서 자가 조절 성장으로의 전이와 일관된다.
• 고정된 M_BH에서 더 높은 f_★를 가진 은하는 더 낮은 질량의 허브를 차지하고 후기형 허블 T형을 가지며, 이는 피드백 효율이 항성 대 허브 질량 비율을 조절한다는 것을 시사한다.
• M_BH–M_h 상관관계의 강도는 M_BH–σ_e 관계와 유사하여, 허브 질량이 블랙홀 질량의 강력한 예측자임을 시사한다.
• 피드백 조절된 적재를 포함한 단순한 ΛCDM 프레임워크 내 평형 모델은 관측된 붕괴와 추세를 성공적으로 재현하며, 붕괴는 빠른 성장 단계와 자가 조절 성장 단계 간의 전이에서 기인한다.