[论文解读] Blowing out the Candle: How to Quench Galaxies at High Redshift -- an Ensemble of Rapid Starbursts, AGN Feedback and Environment

Lucas C. Kimmig, Rhea–Silvia Remus+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 11

一句话总结

本文使用 Magneticum Pathfinder 模拟表明，在 z ~ 3.4 的大质量静止星系通过快速、各向同性的气体塌缩驱动的星暴形成并最终抑制星形成，随后是 AGN 反馈，同时环境也起作用。

ABSTRACT

Recent observations with JWST and ALMA have revealed extremely massive quiescent galaxies at redshifts of z=3 and higher, indicating both rapid onset and quenching of star formation. Using the cosmological simulation suite Magneticum Pathfinder we reproduce the observed number densities and stellar masses, with 36 quenched galaxies of stellar mass larger than 3e10Msun at z=3.42. We find that these galaxies are quenched through a rapid burst of star-formation and subsequent AGN feedback caused by a particularly isotropic collapse of surrounding gas, occurring on timescales of around 200Myr or shorter. The resulting quenched galaxies host stellar components which are kinematically fast rotating and alpha-enhanced, while exhibiting a steeper metallicity and flatter age gradient compared to galaxies of similar stellar mass. The gas of the galaxies has been metal enriched and ejected. We find that quenched galaxies do not inhabit the densest nodes, but rather sit in local underdensities. We analyze observable metrics to predict future quenching at high redshifts, finding that on shorter timescales <500Myr the ratio M_bh/M_* is the best predictor, followed by the burstiness of the preceding star-formation, t50-t90 (time to go from 50% to 90% stellar mass). On longer timescales, >1Gyr, the environment becomes the strongest predictor, followed by t50-t90, indicating that at high redshifts the consumption of old and lack of new gas are more relevant for long-term prevention of star-formation than the presence of a massive AGN. We predict that relics of such high-z quenched galaxies should best be characterized by a strong alpha enhancement.

研究动机与目标

• 研究高红移（z > 3）时大质量静止星系的形成与抑制的机制。
• 量化快速星暴、AGN 反馈与环境在抑制中的作用。
• 将模拟的抑制星系在数密度和恒星质量方面与观测结果进行比较。
• 描述抑制与非抑制星系在内部结构和化学性质上的差异。

提出的方法

• 利用 Magneticum Pathfinder Box3 uhr 宇宙学流体动力学模拟，体积为 (128 Mpc/h)^3，具有高质量与力分辨率。
• 在 z=3.42 时以 SFR = 0 或等效地 sSFR < 0.3/tHub 作为交叉验证来识别抑制星系。
• 使用 L-BaseTree 跟踪从 z~15 到 z=2 的星系祖先和晕的组装历史。
• 分析气体密度、温度和金属丰度分布，以研究抑制与气体排出，包括各向同性气体塌缩情景。
• 将全球星形成率密度和最大恒星质量随时间的演化与 JWST、ALMA 和 HST 的观测结果进行比较。
• 研究未来抑制的观测预测因子，包括 Mbh/M* 与爆发性（burstiness）t50–t90，在＜500 Myr 和 >1 Gyr 的时间尺度上。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Magneticum 模拟中，推动大质量星系在 z ~ 3–4 快速抑制的机制是什么？
• RQ2 快速星暴、AGN 反馈与环境因素分别以及共同如何促成抑制？
• RQ3 高红偏移时抑制与非抑制星系的结构、动力学与化学特征是什么？
• RQ4 可否用可观测指标预测高-z 星系未来的抑制时间尺度，哪些因素在短期与长期起主导作用？

主要发现

• 抑制星系（在 z=3.42 的样本中约有 36 个）源自与各向同性气体塌缩同时发生的快速星暴，随后是强烈的 AGN 反馈将气体排出到较大半径。
• 被抑制的中心星系在动力学上是快速旋转且α-增强的，与同等质量的非抑制星系相比，其金属丰度梯度更陡、年龄梯度更平坦。
• 被抑制星系位于局部低密度区域，而非宇宙网最密集的节点；环境在较长时间尺度上影响抑制。
• 在短时间尺度＜500 Myr 内，未来抑制的最佳预测因子是 Mbh/M*，其次是前期恒星形成的爆发性（t50–t90）。
• 在 >1 Gyr 的时间尺度上，环境成为最强预测因子，其次是 t50–t90，表明旧气体消耗与缺乏新气体主导长期抑制，而非单纯的 AGN 存在。
• 高-z 抑制星系的残留物预计会显示出强烈的 α-增强。