[논문 리뷰] The Connection between Mergers and AGN Activity in Simulated and Observed Massive Galaxies

Ray S. Sharma, Ena Choi외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 170인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 천체물리적 줌-인 시뮬레이션과 합성 HST-유사 관측을 사용하여 대규모 은하에서 은하 융합과 AGN 활동 간의 연관성을 조사한다. 주요 융합은 AGN 활동이나 초거대 블랙홀(SMBH) 성장을 유도하지 않으며, 낮은 적색편이에서 풍부한 가스를 지닌 융합이 드물게 발생할 경우를 제외하고는 그러한 영향이 크지 않다. 이는 대부분의 경우 AGN 자극 메커니즘으로서 다른 연료 공급 경로가 더 중요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We analyze a suite of $30$ high resolution zoom-in cosmological hydrodynamic simulations of massive galaxies with stellar masses $M_{\ast} > 10^{10.9} M_\odot$, with the goal of better understanding merger activity in AGN, AGN activity in merging systems, SMBH growth during mergers, and the role of gas content. Using the radiative transfer code extsc{Powderday}, we generate HST-WFC3 F160W synthetic observations of redshift $0.5 < z < 3$ central galaxies, add noise properties similar to the CANDELS survey, and measure morphological properties from the synthetic images using commonly adopted non-parametric statistics. We compare the distributions of morphological properties measured from the synthetic images with a sample of inactive galaxies and X-ray selected AGN hosts from CANDELS. We study the connection between mergers and AGN activity in the simulations, the synthetic images, and the observed CANDELS sample. We find that, in both the simulations and CANDELS, even the most luminous $(L_{ m bol} > 10^{45}$ erg s$^{-1})$ AGN in our sample are no more likely than inactive galaxies $(L_{ m bol} < 10^{43}$ erg s$^{-1})$ to be found in merging systems. We also find that AGN activity is not overall enhanced by mergers, nor enhanced at any specific time in the $1$ Gyr preceding and following a merger. Even gas rich major mergers (stellar mass ratio $>$1:4) do not necessarily enhance AGN activity or significantly grow the central SMBH. We conclude that in the simulated massive galaxies studied here, mergers are not the primary drivers of AGN.

연구 동기 및 목표

• 주요 융합이 대규모 은하에서 AGN 활동을 주로 이끄는지 규명하는 것.
• 가스 함량과 융합 단계가 AGN 촉발 및 SMBH 성장에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 합성 영상 기반 시뮬레이션된 융합-AGN 연관성과 실제 CANDELS 관측 결과를 비교하는 것.
• 융합 유도 AGN 활동이 관측된 AGN 등급함수와 융합 비율과 일치하는지 평가하는 것.
• AGN 질량 첨가에 있어 점진적 과정과 융합 기반 연료 공급의 상대적 중요도를 조사하는 것.

제안 방법

• z = 0.5에서 3까지 고해상도 천체물리적 줌-인 유체역학 시뮬레이션을 사용해 29개의 대규모 은하(M_{\rm star} > 10^{10.9} M_\odot)를 시뮬레이션한다.
• Powderday 방사선 전달 코드를 적용하여 CANDELS 유사 PSF와 이미지 스티칭을 갖춘 HST-WFC3 F160W 모의 관측을 생성한다.
• 시뮬레이션 데이터로 훈련된 랜덤 포레스트 분류기와 비모수적 형태통계를 사용해 합성 이미지에서 융합을 식별한다.
• 질량 매칭 제어 샘플을 사용해 AGN 대비 비활성 은하의 융합 비율과 융합 대비 비융합 시스템의 AGN 비율을 비교한다.
• 융합 단계 동안 SMBH 성장을 분석하고 AGN 등급함수 및 가스 함량과의 상관관계를 분석한다.
• 일관된 분석 파ip라인을 사용해 합성 관측 결과를 실제 CANDELS 데이터와 비교함으로써 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 융합(1:4 이상 질량비)이 대규모 은하에서 AGN 활동의 주요 촉발 요인인가?
• RQ2 모의 대규모 은하에서 융합 사건 동안 SMBH 성장이 유의미하게 증가하는가?
• RQ3 다양한 적색편이에서 융합 시스템과 비융합 시스템 간의 AGN 비율은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 가스 풍부한 융합이 관측 가능한 AGN 활동을 촉발하는 데 있어 적색편이 의존적인 역할을 하는가?
• RQ5 시뮬레이션에서 유도된 합성 관측이 CANDELS에서 관측된 AGN-융합 연관성을 어느 정도 재현하는가?

주요 결과

• 주요 융합은 SMBH 성장을 유의미하게 증가시키지 않으며, 융합 상태에 머무는 시간과 블랙홀 질량 증가 간 명확한 상관관계가 없다.
• AGN는 비활성 은하와 비교해 융합 시스템에 더 자주 존재하지는 않으며, 낮은 적색편이(0.5 < z < 0.9)에서만 가스 풍부한 융합이 AGN 발생 빈도를 약간 증가시킨다.
• 가장 높은 등급함수 AGN(L_{\rm bol} > 10^{45} erg s^{-1})는 비활성 은하와 비교해 융합 시스템에 더 자주 존재하지는 않는다.
• 가스 풍부한 융합은 고적색편이(1.5 < z < 3)에서 가장 흔하지만, 이 적색편이 범위에서는 AGN 활동 촉발 증거가 없다.
• 분석을 동일하고 체계적인 방식으로 수행할 경우, 시뮬레이션된 AGN-융합 연관성은 CANDELS 관측 결과와 일치한다.
• 이 결과들은 낮은 적색편이에서 관측 가능한 AGN를 촉발하기 위해 가스 풍부한 융합이 필요할 수 있으나, 대부분의 경우 중간 등급함수 AGN에 대해선 냉각 유량이나 점진적 과정 같은 다른 연료 공급 메커니즘이 주요 원인일 것임을 시사한다.