[论文解读] Co-evolution of elliptical galaxies and their central black holes. Clues from their scaling laws

Luca Ciotti|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 293被引用 6

一句话总结

本文提出了一套椭圆星系与其核心超大质量黑洞（SMBH）协同演化的连贯情景，强调标度律——尤其是Magorrian关系与M_BH–σ关系——必须在整个宇宙时空中保持不变。文章认为SMBH反馈对于防止恒星质量损失导致的过度吸积至关重要，而z ≈ 1–2时的超致密早期星系表明，高红移时M_BH–σ关系的归一化值更低，若干 merger驱动结构演化，则与当前的局部关系相矛盾。

ABSTRACT

After the discovery that supermassive black holes (SMBHs) are ubiquitous at the center of stellar spheroids and that their mass Mbh, in the range 10^6-10^9 Msun, is tightly related to global properties of the host stellar system, the idea of the co-evolution of elliptical galaxies and of their SMBHs has become a central topic of modern astrophysics. Here, I summarize some consequences that can be derived from the galaxy Scaling Laws (SLs) and present a coherent scenario for the formation and evolution of elliptical galaxies and their central SMBHs, focusing in particular on the establishment and maintenance of their SLs. In particular, after a first observationally based part, the discussion focuses on the physical interpretation of the Fundamental Plane. Then, two important processes in principle able to destroy the galaxy and SMBH SLs, namely galaxy merging and cooling flows, are analyzed. Arguments supporting the necessity to clearly distinguish between the origin and maintenance of the different SLs, and the unavoidable occurrence of SMBH feedback on the galaxy ISM in the late stages of galaxy evolution (when elliptical galaxies are sometimes considered as ``dead, red objects''), are then presented. At the end of the paper I will discuss some implications of the recent discovery of super-dense ellipticals in the distant Universe. In particular, I will argue that, if confirmed, these new observations would lead to the conclusion that at early epochs a relation between the stellar mass of the galaxy and the mass of the central SMBH should hold, consistent with the present day Magorrian relation, while the proportionality coefficient between Mbh and the scale of velocity dispersion of the hosting spheroids should be significantly smaller than that at the present epoch.

研究动机与目标

• 将观测到的椭圆星系及其核心SMBH的紧密标度律与星系形成与演化情景相协调。
• 厘清标度律起源与长期维持之间的区别，特别是基础平面与M_BH–σ关系。
• 论证SMBH反馈在整个星系生命周期中均必不可少，而不仅限于活跃恒星形成阶段，以防止恒星质量损失导致的过度吸积。
• 将近期对z ≈ 1–2时超致密椭圆星系的观测解释为早期宇宙中M_BH–σ关系不同的证据，暗示比例系数发生演化。
• 评估干合并对高红移致密星系的扩展作用，其可维持Magorrian关系但违反本地M_BH–σ关系。

提出的方法

• 分析观测标度律（Faber-Jackson、Kormendy、基础平面、Mg2–σ、颜色–σ），以推断早期型星系的结构与动力学同质性。
• 以Magorrian关系（M_BH ∝ M_*）与M_BH–σ关系作为星系-SMBH协同演化模型的锚点。
• 评估恒星质量损失（宇宙时空中占总质量≥30%）对SMBH燃料供应的影响，表明若无反馈，黑洞质量将大相径庭。
• 运用动力学时标物理论证，排除内部过程（如弛豫）作为高红移星系结构膨胀的原因。
• 提出干合并是扩展超致密星系的主要机制，可维持M_BH–M_*关系但改变M_BH–σ关系。
• 将高红移超致密星系中预期的M_BH–σ关系与本地关系进行比较，预测由于固定质量下速度弥散更高，其零点更低。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在恒星质量损失，为何椭圆星系及其核心SMBH的观测标度律能在整个宇宙时空中保持不变？
• RQ2 为何SMBH反馈在整个星系演化历史中都必不可少，而不仅限于其活跃阶段？
• RQ3 在中心密度极高的前提下，何种机制可解释z ≈ 1–2时超致密椭圆星系的膨胀？
• RQ4 若超致密星系是现今椭圆星系的前身，其高红移时的M_BH–σ关系与本地关系相比会有何不同？
• RQ5 干合并能否同时解释早期型星系的结构演化、Magorrian关系的保持，以及对本地M_BH–σ关系的违背？

主要发现

• 宇宙时空中恒星质量损失（≥总质量的30%）将导致SMBH过度吸积，除非由高效反馈抵消，这意味着SMBH反馈必须持续运行。
• 若仅靠回收恒星气体吸积，本地宇宙中观测到的M_BH–σ关系无法成立，除非反馈极为高效且持续。
• 若z ≈ 1–2时的超致密椭圆星系被证实，表明该关系在早期宇宙中的归一化值（零点）显著低于现今水平。
• 干合并在扩展高红移致密星系方面是最合理的机制，因内部过程过于缓慢，无法导致此类结构演化。
• 若超致密星系通过干合并演化为现今的椭圆星系，则其在高红移时必须遵循Magorrian关系（M_BH ∝ M_*），但由于固定M_*下σ_0更高，将违背本地M_BH–σ关系。
• 因此，本地宇宙中观测到的M_BH–σ关系反映的是晚期演化结果，而非原始条件，其零点可能已在宇宙时空中发生改变。