[论文解读] Origin of the Golden Mass of Galaxies and Black Holes

Avishai Dekel, Sharon Lapiner+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 25

一句话总结

本文識別出約 $\sim10^{12}M_\odot$ 的黃金質量為最大化星系形成效率的臨界暈質量，其驅動機制來自兩種競爭機制：低質量暈中的超新星反饋抑制恆星形成，以及高質量暈中星系周介質（CGM）的熱動力震波加熱抑制氣體供應。星形成率在 $z\sim2$ 時達到峰值，且快速黑洞成長的起始，皆與此質量尺度相關；接近黃金質量的重大緊縮事件觸發由內而外的熄滅與類星體反饋，進而維持長期的熄滅狀態。

ABSTRACT

We address the origin of the golden mass and time for galaxy formation and the onset of rapid black-hole growth. The preferred dark-halo mass of ~$10^{12}M_\odot$ is translated to a characteristic epoch, z~2, at which the typical forming halos have a comparable mass. We put together a coherent picture based on existing and new simple analytic modeling and cosmological simulations. We describe how the golden mass arises from two physical mechanisms that suppress gas supply and star formation below and above the golden mass, supernova feedback and virial shock heating of the circum-galactic medium (CGM), respectively. Cosmological simulations reveal that these mechanisms are responsible for a similar favored mass for the dramatic events of gaseous compaction into compact star-forming "blue nuggets", caused by mergers, counter-rotating streams or other mechanisms. This triggers inside-out quenching of star formation, to be maintained by the hot CGM, leading to today's passive early-type galaxies. The blue-nugget phase is responsible for transitions in the galaxy structural, kinematic and compositional properties, e.g., from dark-matter to baryon central dominance and from prolate to oblate shape. The growth of the central black hole is suppressed by supernova feedback below the critical mass, and is free to grow once the halo is massive enough to lock the supernova ejecta by its deep potential well and the hot CGM. A compaction near the golden mass makes the black hole sink to the galactic center and triggers a rapid black-hole growth. This ignites feedback by the Active Galactic Nucleus that helps keeping the CGM hot and maintaining long-term quenching.

研究动机与目标

• 解釋星系形成中黃金質量（$\sim10^{12}M_\odot$）的來源，此質量對應於恆星質量與暈質量比效率最高的狀態。
• 識別在該質量尺度以下與以上抑制恆星形成的物理機制：低質量時為超新星反饋，高質量時為CGM的熱動力震波加熱。
• 透過Press-Schechter形式化方法與暈質量演化，將 $z\sim2$ 時星形成率密度的特徵峰值與黃金質量連結。
• 釐清濕性緊縮事件（如藍色核心）在觸發熄滅與黑洞成長中，與黃金質量的關係。
• 釐清類星體反饋、暈熄滅與黃金質量之間的因果序列，顯示類星體反饋雖不啟動熄滅，但可維持熄滅狀態。

提出的方法

• 分析星形成區域與星系周介質中的氣體冷卻時標與動力時標，推導臨界質量閾值。
• 應用Press-Schechter形式化方法追蹤紅移演化下典型暈質量的變化，將 $z\sim2$ 與黃金質量連結。
• 使用宇宙學模擬（例如 Zolotov et al. 2015；Tomassetti et al. 2016）模擬不同質量暈中濕性緊縮事件及其後果。
• 整合超新星反饋模型與熱動力震波加熱模型，顯示其在低質量與高質量暈中對星系形成之補充性抑制作用。
• 利用觀測星系與LCDM暈之間的豐度匹配，推導恆星-暈質量比，並識別出 $M_{\rm v}\sim10^{12}M_\odot$ 處效率最高。
• 結合機器學習方法，將模擬與觀測進行比較（Huertas-Company et al. 2018），以驗證緊縮與熄滅最適合的質量尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 什麼物理機制會抑制低於與高於 $\sim10^{12}M_\odot$ 黃金質量的暈中星系形成？
• RQ2 為何星形成率密度在 $z\sim2$ 時達到峰值？此現象與黃金質量有何關聯？
• RQ3 濕性緊縮事件（如藍色核心的形成）如何與黃金質量相關，並觸發熄滅？
• RQ4 類星體反饋在熄滅中扮演何種因果角色？其活躍時間相對於緊縮事件與暈質量為何？
• RQ5 為何黃金質量是快速黑洞成長與類星體活動的偏好尺度？

主要发现

• 黃金質量 $\sim10^{12}M_\odot$ 來自超新星反饋（抑制低質量暈中恆星形成）與CGM熱動力震波加熱（抑制高質量暈中氣體供應）之間的平衡。
• 星形成率密度在 $z\sim2$ 時的峰值對應於Press-Schechter形式化推導出的典型暈質量與黃金質量相符的時代，因而解釋了觀測到的星系形成效率峰值。
• 重大濕性緊縮事件——由併合或反向旋轉氣流觸發——最常發生在接近黃金質量處，導致致密藍色核心的形成，並引發由內而外的恆星形成熄滅。
• 黑洞成長在黃金質量以下受超新星反饋抑制，但一旦暈的勢阱足夠深以束縛噴發物，且CGM已加熱，則成長加速，緊縮事件在黃金質量附近觸發快速增長。
• 類星體反饋不啟動熄滅，但透過維持CGM高溫（特別是在 $M_{\rm v} > 10^{12}M_\odot$ 的大質量暈中）來維持熄滅狀態，此過程發生在緊縮已導致核心氣體耗盡之後。
• 從暗物質主導轉變為重子主導，以及從長橢圓形轉變為扁球形星系形狀的轉變，主要發生在藍色核心階段，此階段在黃金質量附近最為常見。