[论文解读] Galaxy mergers can initiate quenching by unlocking an AGN-driven transformation of the baryon cycle

J. Davies, Andrew Pontzen+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 85被引用 32

一句话总结

本研究通过高分辨率聚焦模拟结合遗传改造技术，表明星系并合可通过破坏气体盘，触发快速黑洞增长和活动星系核（AGN）驱动的外流，从而驱逐星系晕气，抑制星际介质的补给，使恒星形成在并合后长达数十亿年时间内被抑制。

ABSTRACT

We use zoom simulations to show how merger-driven disruption of the gas disc in a galaxy provides its central active galactic nucleus (AGN) with fuel to drive outflows that entrain and expel a significant fraction of the circumgalactic medium (CGM). This in turn suppresses replenishment of the interstellar medium, causing the galaxy to quench up to several Gyr after the merger. We start by performing a zoom simulation of a present-day star-forming disc galaxy with the EAGLE galaxy formation model. Then, we re-simulate the galaxy with controlled changes to its initial conditions, using the genetic modification technique. These modifications either increase or decrease the stellar mass ratio of the galaxy's last significant merger, which occurs at $z\approx 0.74$. The halo reaches the same present-day mass in all cases, but changing the mass ratio of the merger yields markedly different galaxy and CGM properties. We find that a merger can unlock rapid growth of the central supermassive black hole if it disrupts the co-rotational motion of gas in the black hole's vicinity. Conversely, if a less disruptive merger occurs and gas close to the black hole is not disturbed, the AGN does not strongly affect the CGM, and consequently the galaxy continues to form stars. Our result illustrates how a unified view of AGN feedback, the baryon cycle and the interstellar medium is required to understand how mergers and quenching are connected over long timescales.

研究动机与目标

• 研究星系并合如何通过活动星系核反馈在银河系类星系中引发长期熄灭。
• 解决观测研究中关于并合与活动星系核活动之间关系相互矛盾的未解矛盾。
• 通过控制单一变量——并合质量比——分离并合诱导的扰动、黑洞增长与星系晕介质（CGM）演化之间的因果关系。
• 考察重子循环在星系熄灭中的作用，重点关注活动星系核反馈如何改变供给星际介质的气体供应。
• 确定在EAGLE模拟中，是否必须发生破坏性并合，活动星系核反馈才能显著影响星系晕介质并导致星系熄灭。

提出的方法

• 使用EAGLE星系形成模型对一个当前正在形成恒星的盘状星系进行高分辨率聚焦模拟。
• 应用遗传改造（GM）技术，仅改变星系最后一次显著并合的恒星质量比（z ≈ 0.74），同时保持晕质量与大尺度环境不变。
• 运行多个模拟变体，通过增加或减少并合质量比，以隔离并合扰动对气体动力学与活动星系核活动的影响。
• 追踪黑洞吸积率、活动星系核反馈能量注入，以及星系晕介质（CGM）质量与热力学特性的随时间变化。
• 使用pynbody与tangos分析粒子数据，重点关注CGM中气体的卷吸、喷射与冷却时间。
• 将原始（对照）系统与遗传改造后的变体进行比较，以分离并合诱导扰动的因果效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否并合诱导的气体盘扰动会触发银河系类星系中黑洞的快速增长与活动星系核反馈？
• RQ2 由并合触发的吸积所驱动的活动星系核反馈在多大程度上能将星系晕气体喷射出去，并抑制星际介质的补给？
• RQ3 并合是否能引发重子循环的转变，从而导致持续数十亿年的熄灭？
• RQ4 黑洞附近共转气体的破坏是否为强活动星系核反馈影响星系晕介质所必需？
• RQ5 并合质量比的差异如何影响星系恒星形成率与星系晕介质特性的长期演化？

主要发现

• 破坏黑洞附近气体共转运动的并合，可促进快速吸积，触发强烈的活动星系核反馈，从而将星系晕介质（CGM）的显著部分喷射出去。
• 在对照（原始）系统中，z ≈ 0.74的并合在并合后20亿年内使黑洞质量增加20%，星系晕质量减少30%，主要归因于活动星系核驱动的外流。
• 当并合破坏性较弱（质量比更低）时，黑洞附近的气体仍保持共转，抑制吸积与活动星系核反馈，导致星系晕气体未发生显著喷射。
• 在被破坏的并合情况下，星系在并合后10亿年内恒星形成率（sSFR）下降70%，且熄灭状态持续超过30亿年；而稳定演化系统则维持持续的恒星形成。
• 星际介质补给的抑制与星系晕气体喷射直接相关：星系晕质量分数较低的星系，其气体流入与恒星形成均减少。
• 本研究确立了一条因果链：并合 → 气体盘破坏 → 黑洞吸积增强 → 活动星系核反馈 → 星系晕气体喷射 → 星际介质枯竭 → 长期熄灭。