[论文解读] AGN quenching in simulated dwarf galaxies

Ray S. Sharma, Alyson Brooks+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用Romulus25宇宙学模拟，探究孤立矮星系中的活动星系核（AGN）反馈，发现大质量黑洞（MBH）通过能量注入加热或驱逐气体，导致星系熄灭。关键结果表明，MBH可解释模拟中观测到的过量孤立矮星系熄灭现象——尤其在低质量（M* < 10^9.3 M☉）情况下，熄灭过程渐进持续数Gyr；而高质质量矮星系则通过气体喷出在约1 Gyr内迅速熄灭。

ABSTRACT

We examine the quenching characteristics of $328$ isolated dwarf galaxies $\left(10^{8} &lt; M_{ m star}/M_\odot &lt; 10^{10} ight)$ within the \Rom{} cosmological hydrodynamic simulation. Using mock observation methods, we identify isolated dwarf galaxies with quenched star formation and make direct comparisons to the quenched fraction in the NASA Sloan Atlas (NSA). Similar to other cosmological simulations, we find a population of quenched, isolated dwarf galaxies below $M_{ m star} &lt; 10^{9} M_\odot$ not detected within the NSA. We find that the presence of massive black holes (MBHs) in \Rom{} is largely responsible for the quenched, isolated dwarfs, while isolated dwarfs without an MBH are consistent with quiescent fractions observed in the field. Quenching occurs between $z=0.5-1$, during which the available supply of star-forming gas is heated or evacuated by MBH feedback. Mergers or interactions seem to play little to no role in triggering the MBH feedback. At low stellar masses, $M_{ m star} \lesssim 10^{9.3} M_\odot$, quenching proceeds across several Gyr as the MBH slowly heats up gas in the central regions. At higher stellar masses, $M_{ m star} \gtrsim 10^{9.3} M_\odot$, quenching occurs rapidly within $1$ Gyr, with the MBH evacuating gas from the central few kpc of the galaxy and driving it to the outskirts of the halo. Our results indicate the possibility of substantial star formation suppression via MBH feedback within dwarf galaxies in the field. On the other hand, the apparent over-quenching of dwarf galaxies due to MBH suggests higher resolution and/or better modeling is required for MBHs in dwarfs, and quenched fractions offer the opportunity to constrain current models.

研究动机与目标

• 探究宇宙学模拟中AGN反馈在孤立矮星系熄灭过程中的作用。
• 确定低质量星系中的大质量黑洞（MBH）是否可解释模拟中观测到的过量熄灭矮星系，而真实巡天中未观测到此现象。
• 将模拟的熄灭特征与来自NASA斯隆星图（NSA）的观测数据进行比较。
• 评估不同恒星质量区间内孤立矮星系熄灭的时间尺度与机制。
• 评估当前宇宙学模拟中AGN反馈模型在低质量星系中的适用性。

提出的方法

• Romulus25宇宙学流体动力学模拟在低质量星系（10^8 < M* < 10^10 M☉）中包含解析的、早期种子的大质量黑洞（MBH）。
• 采用模拟观测技术，利用orchard软件包生成视线并定义熄灭状态，使其符合观测者的标准，匹配实际观测中对熄灭的判定标准。
• 通过比较含MBH与不含MBH的模拟星系的熄灭分数，隔离AGN反馈的影响。
• 分析气体含量、恒星形成历史及黑洞吸积历史，追踪宇宙时空中（z ≈ 1 至 z ≈ 0.05）的熄灭机制。
• 模拟追踪MBH向星际介质（ISM）注入能量及其对气体加热与驱逐的影响。
• 在不同恒星质量区间量化熄灭时间尺度与气体耗尽情况，以区分快速喷出与渐进加热过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 孤立矮星系中的大质量黑洞是否通过AGN反馈驱动熄灭，从而解释模拟中观测到的过量熄灭矮星系？
• RQ2 低质量（M* < 10^9.3 M☉）与高质质量（M* > 10^9.3 M☉）孤立矮星系的熄灭时间尺度有何差异？
• RQ3 在孤立矮星系中，AGN反馈而非并合或环境效应，对熄灭的触发作用有多大？
• RQ4 为何Romulus25等模拟预测的熄灭孤立矮星系数目多于NASA斯隆星图中的实际观测？
• RQ5 MBH的存在与矮星系中气体耗尽及恒星形成减少之间存在何种关联？

主要发现

• Romulus25在z=0.05时预测的M* < 2×10^9 M☉孤立熄灭矮星系数目高于NASA斯隆星图中的实际观测，表明模拟与观测之间存在差异。
• 大质量黑洞（MBH）的存在解释了绝大多数过量熄灭矮星系，因为含MBH的矮星系熄灭分数比不含MBH的高2至10倍。
• 熄灭主要发生于z ≈ 0.5至z ≈ 1之间，与AGN反馈活动高峰期及气体加热或驱逐同步。
• 在M* < 10^9.3 M☉时，由于中心区域持续的MBH反馈与气体加热，熄灭过程渐进持续数Gyr。
• 在M* > 10^9.3 M☉时，熄灭在约1 Gyr内迅速发生，由高能喷流将气体从星系晕中心数kpc区域驱逐。
• 熄灭矮星系的HI和总气体含量显著低于恒星形成矮星系，且其MBH随时间积累了更多质量，表明反馈与吸积历史密切相关。