[論文レビュー] The dependence of the fraction of radio luminous quasars on redshift and its theoretical implications

Katarzyna Rusinek, M. Sikora|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 136被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ブラックホール質量およびEddington比のバイアスを補正したうえで、電波強性セイファーゲイゼルの割合（RLF）の赤方偏移依存性を調査する。2つの赤方偏移チャンクに分けた均質なセイファーゲイゼルサンプルを用い、RLFが宇宙時間とともに増加することを発見した。これは主に、純粋なスパイラル合体と比較して、混合合体（楕円銀河＋スパイラル）の減少が遅いためであり、これは磁場によって停止したディスク（MAD）モデルが宇宙バッテリー機構を介してジェット形成を説明するのを支持する。

ABSTRACT

While radio emission in quasars can be contributed to by a variety of processes (involving star forming regions, accretion disk coronas and winds, and jets), the powering of the radio loudest quasars must involve very strong jets, presumably launched by the Blandford-Znajek mechanism incorporating the magnetically arrested disk (MAD) scenario. We focus on the latter and investigate the dependence of their fraction on redshift. We also examine the dependence of the radio-loud fraction (RLF) on BH mass ($M_{ m BH}$) and Eddington ratio ($\lambda_{ m Edd}$) while excluding the redshift bias by narrowing its range. In both these investigations we remove the bias associated with: (1) the diversity of source selection by constructing two well-defined, homogeneous samples of quasars (first within $0.7 \leq z < 1.9$, second within $0.5 \leq z < 0.7$); (2) a strong drop in the RLF of quasars at smaller BH masses by choosing those with BH masses larger than $10^{8.5} M_{\odot}$. We confirm some previous results showing the increase in the fraction of radio-loud quasars with cosmic time and that this trend can be even steeper if we account for the bias introduced by the dependence of the RLF on BH mass whereas the bias introduced by the dependence of the RLF on Eddington ratio is shown to be negligible. Assuming that quasar activities are triggered by galaxy mergers we argue that such an increase can result from the slower drop with cosmic time of mixed mergers than of wet mergers.

研究の動機と目的

• 選択バイアスを補正したうえで、セイファーゲイゼルの電波強性割合（RLF）の赤方偏移依存性を調査すること。
• ブラックホール質量（MBH）およびEddington比（λEdd）がRLFに与える影響を評価し、赤方偏移バイアスからの分離を試みること。
• 観測されたRLFの宇宙時間に伴う増加が、磁場によって停止したディスク（MAD）の合体駆動形成によって説明可能かどうかを検証すること。
• 特に混合（gE + Sp）と純粋スパイラル（Sp + Sp）の合体タイプの違いが、RLFの進化に与える影響を評価すること。
• 特に「宇宙バッテリー」シナリオを含むMAD形成メカニズムの理論的意味を検討し、セイファーゲイゼルの電波強性を説明する。

提案手法

• 選択関数バイアスを最小限に抑えるために、0.7 ≤ z < 1.9 および 0.5 ≤ z < 0.7 の2つの均質で明確に定義されたセイファーゲイゼルサンプルを構築した。
• RLFに強いバイアスを与える低質量ブラックホールの影響を排除するため、MBH > 10^8.5 M⊙ に限定した。
• Pythonパッケージ「lifelines」を用いたKaplan-Meier推定法により、生存関数と赤方偏移に伴うRLFの進化を計算した。
• 標準的なKellermannの電波強性パラメータRKに変換するため、スペクトル指数補正（⟨αr⟩ = 0.7、⟨αo⟩ = 0.5）を適用した。
• セイファーゲイゼル活動が銀河合体によって引き起こされるという仮定の下で、湿った（スパイラル＋スパイラル）と混合（gE + Sp）合体レートの進化を比較した。
• 観測されたRLFトレンドを説明する理論的シナリオとして、特に「宇宙バッテリー」とイン・サイト形成を含むMAD形成メカニズムを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール質量およびEddington比のバイアスを補正した場合、セイファーゲイゼルの電波強性割合（RLF）は赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ2 ブラックホール質量とEddington比の両方が観測されたRLFの進化に与える相対的寄与は何か？
• RQ3 宇宙時間とともに増加するRLFは、混合（楕円銀河＋スパイラル）合体と純粋スパイラル合体の間で異なる合体率の進化によって説明可能か？
• RQ4 観測されたRLFトレンドと最も整合性があるMAD形成メカニズムは何か？特に「宇宙バッテリー」、ポリロイダル磁場の拡散、低降着段階からの生存のうちどれか。
• RQ5 ホスト銀河の性質（例：巨大楕円銀河）および環境（ダークマターハロー質量）はRLFとどのように相関するか？そしてジェット形成に何を示唆するか？

主な発見

• 電波強性セイファーゲイゼルの割合は、ブラックホール質量によるバイアスを補正した場合、宇宙時間とともに増加しており、これは以前の報告よりも急峻な傾向である。
• RLFに対するEddington比の依存性は無視できるほど小さく、これは降着率そのものが電波強性を駆動する要因ではないことを示唆している。
• 観測されたRLFの宇宙時間に伴う増加は、純粋スパイラル合体と比較して、混合合体（巨大楕円銀河＋スパイラル）の減少が遅いことによって最もよく説明される。
• 電波強性セイファーゲイゼルの大多数は巨大楕円銀河に宿しており、電波非強性セイファーゲイゼルよりも密度の高い環境にあり、より質量の大きなダークマターハローに位置している。
• 結果は、「宇宙バッテリー」シナリオによるMAD形成を支持しており、特に合体後のブラックホールが同期または反転回転している系において顕著である。
• スペクトル指数補正後、0.5 ≤ z < 0.7 サンプルのRLFは約 0.59 × (Lν1.4 / Lνi) であり、0.7 ≤ z < 1.9 サンプルでは約 0.12 × (Lν144 / Lνi) である。