[论文解读] A possible mechanism for the mass ratio limitation in early type galaxies

Yiping Wang, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文提出，在早期类型星系中观测到的超大质量黑洞与宿主球状体之间约0.2%的质量比，源于星系并合期间粘性吸积盘中恒星形成与活动星系核（AGN）活动之间的竞争性反馈机制。通过采用恒星爆发与AGN共同演化的分层星系演化模型，作者表明，相互反馈将M_BH/M_spheroid比值锁定在约10⁻³的普遍值。

ABSTRACT

There is an interesting correlation between the central objects and their host galaxies in recent high resolution HST photometry of early type galaxies and Near-IR images of nearby quasar hosts. It has been shown that a) the hosts of these very luminous quasars are likely to be early type galaxies and that b) the mass ratio of central black holes (BHs) and their host spheroidal components ($M_{bh}/M_{spheroid}$) is $\sim 0.002$ within a factor of three. Using the hierarchical galaxy evolution scheme for the formation of early-type galaxies, we present here a general viscous accretion disk model to trace the star formation and central engine evolution before and after mergers. In our model, starbursts and AGN coexist; these two activities compete for the gas supply, interact with each other, probably feed back on each other and lock into a final status. They thus constrain the ratio of central black hole mass and its host spheroidal mass to a universal value of order $10^{-3}$.

研究动机与目标

• 解释在早期类型星系中观测到的超大质量黑洞与宿主球状体之间约0.002的普遍质量比。
• 研究早期类型星系中黑洞与球状体质量比观测上限背后的物理解释。
• 使用粘性吸积盘框架，对星系并合期间恒星形成与AGN活动的共同演化进行建模。
• 确定恒星爆发与AGN之间的反馈是否能自然地将M_BH/M_spheroid比值约束在普遍值。
• 检验分层星系形成结合粘性吸积是否能在无需精细调节的情况下重现观测到的质量比。

提出的方法

• 采用分层星系演化方案，通过并合过程模拟早期类型星系的形成。
• 应用通用的粘性吸积盘模型，追踪并合前后气体供应、恒星形成与中心引擎的演化。
• 对恒星爆发与AGN之间的气体竞争进行建模，整合相互反馈效应。
• 模拟恒星形成与AGN活动的共同演化，其中两个过程的反馈共同调节气体消耗。
• 在反馈使系统进入稳定状态后，计算黑洞与球状体质量的最终比值。
• 利用模型预测在竞争性反馈条件下系统的平衡M_BH/M_spheroid比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制能自然导致早期类型星系中约0.002的普遍M_BH/M_spheroid质量比？
• RQ2 在星系并合期间，恒星形成与AGN活动如何相互作用以调节气体消耗？
• RQ3 恒星爆发与AGN之间的相互反馈是否能自然地将黑洞与球状体质量比约束在固定值？
• RQ4 在分层并合框架中，粘性吸积盘模型是否能在无需任意调节的情况下重现观测到的质量比？
• RQ5 反馈在将系统锁定于具有稳定质量比的最终状态中起到何种作用？

主要发现

• 该模型表明，恒星爆发与AGN之间的竞争及相互反馈能自然地将最终的M_BH/M_spheroid比值限制在约10⁻³。
• 恒星形成与AGN活动的共同演化导致一种稳定平衡，其中气体供应受到调节，从而防止黑洞的失控增长。
• 最终质量比对初始条件不敏感，表明在所提出的反馈机制下，结果具有普遍性。
• 该模型成功重现了高分辨率HST和近红外观测中早期类型星系及类星体宿主所见的约0.2%质量比。
• 粘性吸积盘框架有效捕捉了星系并合期间从星暴相向AGN主导相的过渡。
• 结果表明，恒星形成与AGN活动的反馈均对实现观测到的质量比上限至关重要。