[论文解读] Linking galaxy structural properties and star formation activity with IllustrisTNG

Mélanie Habouzit, Shy Genel+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究利用IllustrisTNG宇宙学模拟，将星系结构特性与恒星形成活动同活动星系核（AGN）活动在宇宙时空中联系起来。研究发现，红移z~1.5–2的致密恒星形成星系中AGN比例最高（16–20%），而致密宁静星系中AGN比例最低（6–10%）。在对消光效应进行校正后，模拟结果与观测数据在定性和定量上均达到良好一致，尽管模拟略微高估了暗弱AGN，低估了明亮AGN。

ABSTRACT

We study the connection between active galactic nuclei (AGN) and their host galaxies through cosmic time in the large-scale cosmological IllustrisTNG simulations. We first compare BH properties, i.e. the hard X-ray BH luminosity function, AGN galaxy occupation fraction, and distribution of Eddington ratios, to available observational constraints. The simulations produce a population of BHs in good agreement with observations, but we note an excess of faint AGN in hard X-ray (L_x ~ 10^{43-44} erg/s), and a lower number of bright AGN (L_x>10^{44} erg/s), a conclusion that varies quantitatively but not qualitatively with BH luminosity estimation method. The lower Eddington ratios of the 10^{9} Msun BHs compared to observations suggest that AGN feedback may be too efficient in this regime. We study galaxy star formation activity and structural properties, and design sample-dependent criteria to identify different galaxy types (star-forming/quiescent, extended/compact) that we apply both to the simulations and observations from the candels fields. We analyze how the simulated and observed galaxies populate the specific star formation rate - stellar mass surface density diagram. A large fraction of the z=0 M_{star}>10^{11} Msun quiescent galaxies first experienced a compaction phase (i.e. reduction of galaxy size) while still forming stars, and then a quenching event. We measure the dependence of AGN fraction on galaxies' locations in this diagram. After correcting the simulations with a redshift and AGN luminosity-dependent model for AGN obscuration, we find good qualitative and quantitative agreement with observations. The AGN fraction is the highest among compact star-forming galaxies (16-20% at z~1.5-2), and the lowest among compact quiescent galaxies (6-10% at z~1.5-2).

研究动机与目标

• 利用大规模宇宙学模拟，理解活动星系核（AGN）与其宿主星系在宇宙时空中共同演化的机制。
• 检验IllustrisTNG模拟是否准确再现了观测到的AGN和星系属性，包括黑洞光度函数和爱丁顿比。
• 研究星系结构特性（如大小和表面密度）与恒星形成活动及AGN比例之间的关联。
• 利用CANDELS场的观测数据对模拟中的AGN种群进行校准与验证，特别是在特定恒星形成率–星 stellar 质量面密度图中。
• 在模拟中对AGN消光效应进行校正，以提升模拟结果与不同星系类型中观测到的AGN比例之间的一致性。

提出的方法

• 在IllustrisTNG框架内模拟星系与黑洞的演化，通过反馈和AGN物理模型的调优，使其符合大尺度宇宙学约束。
• 将模拟得到的黑洞属性（如硬X射线光度函数、占位分数和爱丁顿比分布）与观测数据进行比较，以验证模型的可靠性。
• 基于恒星形成率和星 stellar 质量面密度，定义与样本相关的标准，将星系分类为恒星形成型或宁静型，以及扩展型或致密型。
• 将模拟和观测星系映射到特定恒星形成率–星 stellar 质量面密度图中，分析其结构与演化趋势。
• 应用红移和光度相关的消光模型，校正模拟中AGN探测概率，以提升与观测AGN比例的一致性。
• 测量AGN比例随星系在结构-恒星形成图中位置的变化，以识别环境与演化依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 IllustrisTNG模拟在多大程度上准确再现了观测到的黑洞光度函数和爱丁顿比分布？
• RQ2 在模拟和观测星系中，星系结构特性（大小、表面密度）与恒星形成活动之间存在何种关系？
• RQ3 在模拟和观测中，AGN比例如何随不同星系类型（如致密型与扩展型、恒星形成型与宁静型）而变化？
• RQ4 对AGN消光效应进行校正后，模拟与观测中AGN比例的一致性改善程度如何？
• RQ5 大质量宁静星系的演化序列是怎样的，其与AGN活动有何关联？

主要发现

• 模拟较好地再现了整体AGN和宿主星系属性，但略微高估了暗弱AGN（L_x ~ 10^{43–44} erg/s）的数量，低估了明亮AGN（L_x > 10^{44} erg/s）的数量。
• 模拟中10^9 Msun黑洞的爱丁顿比低于观测值，表明在此质量区间AGN反馈可能过于高效。
• 在z=0时M_star > 10^11 Msun的宁静星系中，有很大比例在仍处于恒星形成阶段时经历了致密化过程，随后被熄灭。
• 在应用红移和光度相关的消光校正后，模拟得到的AGN比例在定性和定量上均与观测结果一致。
• 在z~1.5–2时，致密恒星形成星系中AGN比例最高（16–20%），而致密宁静星系中比例最低（6–10%）。
• 在进行消光校正后，AGN比例在特定恒星形成率–星 stellar 质量面密度图中的位置依赖性得到良好再现。