[论文解读] A universal relation between the properties of supermassive black holes, galaxies, and dark matter halos

Antonino Marasco, G. Cresci+6 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 2

一句话总结

本研究在55个邻近星系中建立了超大质量黑洞质量（M_BH）、暗物质晕质量（M_h）与恒星-晕质量比（f_★）之间的普遍关系，表明M_BH与M_h强相关，而与f_★反相关。该模型通过ΛCDM框架下的反馈调节吸积，解释了M_h ≈ 10^12 M_⊙处M_BH–M_h关系的观测拐点，以及在固定M_BH下f_★与形态类型的相关性。

ABSTRACT

We study the relations between the mass of the central black hole (BH) $M_{ m BH}$, the dark matter halo mass $M_{ m h}$, and the stellar-to-halo mass fraction $f_\star\propto M_\star/M_{ m h}$ in a sample of $55$ nearby galaxies with dynamically measured $M_{ m BH}>10^6\,{ m M}_\odot$ and $M_{ m h}>5 imes10^{11}\,{ m M}_\odot$. The main improvement with respect to previous studies is that we consider both early- and late-type systems for which $M_{ m h}$ is determined either from globular cluster dynamics or from spatially resolved rotation curves. Independently of their structural properties, galaxies in our sample build a well defined sequence in the $M_{ m BH}$-$M_{ m h}$-$f_\star$ space. We find that: (i) $M_{ m h}$ and $M_{ m BH}$ strongly correlate with each other and anti-correlate with $f_\star$; (ii) there is a break in the slope of the $M_{ m BH}$-$M_{ m h}$ relation at $M_{ m h}$ of $10^{12}\,{ m M}_\odot$, and in the $f_\star$-$M_{ m BH}$ relation at $M_{ m BH}$ of $\sim10^7\!-\!10^8\,{ m M}_\odot$; (iii) at a fixed $M_{ m BH}$, galaxies with a larger $f_\star$ tend to occupy lighter halos and to have later morphological types. We show that the observed trends can be reproduced by a simple equilibrium model in the $\Lambda$CDM framework where galaxies smoothly accrete dark and baryonic matter at a cosmological rate, having their stellar and black hole build-up regulated both by the cooling of the available gas reservoir and by the negative feedback from star formation and active galactic nuclei (AGN). Feature (ii) arises as the BH population transits from a rapidly accreting phase to a more gentle and self-regulated growth, while scatter in the AGN feedback efficiency can account for feature (iii).

研究动机与目标

• 在邻近星系中建立超大质量黑洞质量（M_BH）、暗物质晕质量（M_h）与恒星-晕质量比（f_★）之间的普遍关系。
• 调查早型与晚型星系在M_BH–M_h–f_★空间中是否遵循相同的标度关系。
• 确定M_BH–M_h关系与f_★–M_BH关系中观测到的拐点的物理解释。
• 检验反馈效率的离散性是否可解释在固定M_BH下观测到的相关性。
• 在ΛCDM框架下开发一个简单平衡模型，以重现观测到的标度关系。

提出的方法

• 使用了55个邻近星系的样本，其动力学测量的M_BH > 10^6 M_⊙且M_h > 5×10^11 M_⊙。
• 利用空间分辨的旋转曲线与球状星团运动学数据精确估算M_h，避免使用代理方法。
• 分析M_BH–M_h–f_★参数空间，以识别相关性与结构拐点。
• 开发了一个基于ΛCDM的平衡模型，其中重子物质与暗物质以宇宙学速率吸积，受恒星形成与AGN的冷却与反馈调节。
• 调节与恒星及AGN反馈效率相关的五个自由参数，以匹配观测关系。
• 模拟从快速吸积到自调节增长的过渡，以解释M_h ≈ 10^12 M_⊙处的拐点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同星型类型中，M_BH、M_h与f_★之间是否存在一个普遍关系？
• RQ2 M_BH–M_h关系在M_h ≈ 10^12 M_⊙处的观测拐点由何原因引起？
• RQ3 为何在固定M_BH下，f_★较高的星系位于质量较小的晕中，且形态类型更晚？
• RQ4 在ΛCDM框架下，反馈调节的吸积是否能重现观测到的标度关系及其离散性？
• RQ5 反馈效率的差异如何解释在固定M_BH下观测到的趋势？

主要发现

• 样本中的星系在M_BH–M_h–f_★空间中形成一条定义明确的一维序列，表明黑洞、晕与恒星成分之间存在强烈共同演化。
• M_BH–M_h关系在M_h ≈ 10^12 M_⊙处存在显著拐点，低晕质量时斜率更陡，高晕质量时斜率更平缓。
• f_★–M_BH关系在M_BH ≈ 10^7–10^8 M_⊙处也表现出拐点，与快速吸积向自调节增长的过渡一致。
• 在固定M_BH下，f_★较高的星系位于质量更小的晕中，且具有更晚的Hubble T类型，表明反馈效率调节了恒星-晕质量比。
• M_BH–M_h相关性的强度与M_BH–σ_e关系相当，表明晕质量是黑洞质量的强预测因子。
• 在ΛCDM框架下的简单平衡模型，结合反馈调节的吸积，成功重现了观测到的拐点与趋势，其中拐点源于快速吸积与自调节增长阶段的过渡。