[論文レビュー] The impact of black hole feedback on the UV luminosity and stellar mass assembly of high-redshift galaxies

Olmo Piana, Pratika Dayal+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 113被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、デルフィ半アナリティカルモデルを用いて、高赤方偏移銀河（z ≈ 4–6）におけるブラックホールフィードバックが紫外線（UV）光度および星形成物質量の集積に与える影響を調査した。その結果、明るい銀河（M_UV < −24 mag）ではAGNが星形成由来のUV放射を凌駕し、ブラックホールのエネルギー出力がホールの束縛エネルギーのおよそ1%に達する際にフィードバック効果が最大となり、z = 5におけるM_h ~ 10^11.75 M⊙のホールで星形成が3倍減少することが判明した。

ABSTRACT

We employ the Delphi semi-analytical model to study the impact of black hole growth on high-redshift galaxies, both in terms of the observed UV luminosity and of the star formation rate. To do this, firstly, we assess the contribution of AGN to the total galaxy UV luminosity as a function of stellar mass and redshift. We find that for $M_{UV} < -24$ mag and $z \approx 5 - 6$ the galaxies for which the black hole UV luminosity outshines the stellar UV emission become the majority, and we estimate their duty cycle. Secondly, we study the evolution of the AGN and stellar luminosity functions (LFs), finding that it is driven both by changes in their characteristic luminosities (i.e. evolution of the intrinsic brightness of galaxies) and in their normalizations (i.e. evolution of the number densities of galaxies), depending on the luminosity range considered. Finally, we follow the mass assembly history for three different halo mass bins, finding that the magnitude of AGN-driven outflows depends on the host halo mass. We show that AGN feedback is most effective when the energy emitted by the accreting black hole is approximately $1\%$ of the halo binding energy, and that this condition is met in galaxies in halos with $M_h \sim 10^{11.75} M_\odot$ at $z=4$. In such cases, AGN feedback can drive outflows that are up to 100 times more energetic than SN-driven outflows, and the star formation rate is a factor of three lower than for galaxies of the same mass without black hole activity.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河の全UV光度に占めるAGNの寄与を定量すること、特にUVLFの明るい端部における寄与を明らかにすること。
• UV光度関数（UVLF）におけるAGNと星形成の寄与を分離し、宇宙時間にわたるその進化を理解すること。
• z > 4における異なるホール質量の銀河におけるAGNフィードバックが星形成および物質量集積に与える影響を評価すること。
• SNフィードバックと比較してAGNフィードバックが主な抑制機構となる条件を特定すること。
• ホールの束縛エネルギーに比してブラックホールの放射エネルギー出力がどのようにして効果的な流出を駆動し、星形成を抑制するかを評価すること。

提案手法

• z ≈ 4から6の期間にわたり、ダークマターホール内で銀河形成およびブラックホール成長をシミュレートするデルフィ半アナリティカルモデルを用いる。
• Uedaら（2014年）およびMerloniら（2014年）のAGN可視性補正を適用し、AGN検出における遮蔽効果を補正する。
• AGN成分および星形成成分のそれぞれのUV光度関数（LF）を別々に追跡し、その合成的進化を分析する。
• SNおよびAGN駆動の流出の質量ローディング要因（η）を計算し、エネルギーおよび質量放出効率の相対的差を比較する。
• ブラックホールの放射エネルギー出力とホールの束縛エネルギーの比を計算し、フィードバック効率が最大になる閾値を特定する。
• 合体木のデータを分析して、さまざまなホール質量帯におけるAGNモードの稼働周期および占める時間割合を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河において、特にM_UV < −24 magおよびz ≈ 5–6の領域で、AGNは全UV光度にどの程度寄与しているか？
• RQ2 AGNと星形成のUV光度関数は赤方偏移とともにどのように変化するか？その変化の主な駆動要因は光度の変化か、数密度の変化か？
• RQ3 どのホール質量および赤方偏移でAGNフィードバックが星形成抑制に最も効果的となるか？その物理的閾値は何か？
• RQ4 さまざまな質量の銀河において、AGN駆動の流出エネルギーがSN駆動の流出エネルギーを上回るのはいつか？
• RQ5 質量ブラックホールを有する銀河におけるAGNフィードバックは、星形成率および星形成物質量集積にどのような影響を与えるか？

主な発見

• z ≈ 5–6におけるM_UV < −24 magの銀河では、遮蔽補正後の稼働周期が約16%であることを考慮しても、多数の事例でAGNのUV光度が星形成由来の放射を100倍以上上回ることが判明した。
• 低質量銀河の前身の星形成由来UVLFは、z ≈ 8までしか明るさの進化を示さない一方で、高質量銀河のLFは引き続き進化を示しており、全UVLFの明るい端では明るさの進化が支配的であることが示唆された。
• M_h|z=4 ≈ 10^11.4 M⊙のホールでは、z ≈ 5–6にかけてAGN駆動の流出がSN駆動の流出を上回り、低質量ホールではより早期にこの遷移が発生した。
• 低質量ホール（M_h ~ 10^11.75 M⊙）では、AGN駆動の流出の質量ローディング要因がη_bh ≈ 10^3.7に達し、同質量範囲におけるSNフィードバック（η_sn ≈ 13）を著しく上回った。
• z = 5におけるM* ~ 10^9.5 M⊙の銀河では、ブラックホールの放射エネルギー出力がホールの束縛エネルギーのおよそ1%に達する際に、星形成率が3倍減少した。
• ホール質量M_h ~ 10^11.75 M⊙、z = 4の銀河で最も効果的なフィードバックが観測され、このときブラックホールの吸着エネルギー出力がホールの束縛エネルギーのおよそ1%に一致しており、流出エネルギーと抑制効率が最大になった。