[论文解读] Powerful Radio-Loud Quasars are Triggered by Galaxy Mergers in the Cosmic Bright Ages

Peter Breiding, M. Chiaberge+15 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 199被引用 1

一句话总结

本研究基于哈勃WFC3/IR观测结果表明，在宇宙鼎盛时期（1 ≲ z ≲ 2）的强射电噪类星体主要由大质量星系并合触发，与射电安静对照样本相比，射电噪类星体表现出近乎普遍并合特征。关键发现是大质量并合与射电噪活动星系核之间存在强烈相关性，这挑战了类星体演化‘吹出’模型。

ABSTRACT

While supermassive black holes are ubiquitous features of galactic nuclei, only a small minority are observed during episodes of luminous accretion. The physical mechanism(s) driving the onset of fueling and ignition in these active galactic nuclei (AGN) are still largely unknown for many galaxies and AGN-selection criteria. Attention has focused on AGN triggering by means of major galaxy mergers gravitationally funneling gas towards the galactic center, with evidence both for and against this scenario. However, several recent studies have found that radio-loud AGN overwhelmingly reside in ongoing or recent major galaxy mergers. In this study, we test the hypothesis that major galaxy mergers are important triggers for radio-loud AGN activity in powerful quasars during cosmic noon (1 < z < 2). To this end, we compare Hubble Space Telescope WFC3/IR observations of the z > 1 3CR radio-loud broad-lined quasars to three matched radio-quiet quasar control samples. We find strong evidence for major-merger activity in nearly all radio-loud AGN, in contrast to the much lower merger fraction in the radio-quiet AGN. These results suggest major galaxy mergers are key ingredients to launching powerful radio jets. Given many of our radio-loud quasars are blue, our results present a possible challenge to the "blow-out" paradigm of galaxy evolution models in which blue quasars are the quiescent end result following a period of red quasar feedback initiated by a galaxy merger. Finally, we find a tight correlation between black hole mass and host galaxy luminosity for these different high-redshift AGN samples inconsistent with those observed for local elliptical galaxies.

研究动机与目标

• 检验大质量星系并合是否为宇宙鼎盛时期（1 ≲ z ≲ 2）强大射电噪类星体的主要触发机制。
• 比较高红移（z > 1）射电噪类星体与射电安静类星体的宿主星系形态及并合比例。
• 评估并合驱动类星体触发对星系演化模型的影响，特别是‘吹出’模型。
• 检验高红移类星体中黑洞质量–宿主星等关系，并与本地关系进行比较。

提出的方法

• 获取了37个z > 1的3CR射电噪宽线类星体的深空哈勃空间望远镜WFC3/IR观测数据。
• 构建了三组匹配的射电安静类星体对照样本，其红移、光度和星等分布与目标样本相似。
• 利用Galfit对宿主星系形态进行详细分析，以分类并合特征并测量宿主星系流量。
• 通过视觉分类将星系系统划分为相互作用、并合或非并合类型，依据其结构畸变程度量化并合比例。
• 利用Galfit反演的宿主星系流量分析黑洞质量与宿主星系光度之间的相关性。
• 将结果与本地球状星系关系进行比较，并评估其与‘吹出’类星体反馈模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙鼎盛时期（1 ≲ z ≲ 2）是否存在大质量星系并合作为强大射电噪类星体的主要触发机制？
• RQ2 高红移下射电噪类星体的并合比例与射电安静类星体相比如何？
• RQ3 高红移类星体中观测到的黑洞质量–宿主光度关系是否偏离本地椭圆星系关系？
• RQ4 射电噪类星体普遍呈现蓝色的观测特征是否与类星体演化的‘吹出’模型相矛盾？
• RQ5 在高红移样本中，类星体总辐射光度与rest-frame U-V色指数之间是否存在可测量的相关性？

主要发现

• 几乎所有射电噪类星体（97%）均表现出强烈的大质量并合活动迹象，包括明显的形态畸变和近距离双星系统。
• 射电安静类星体的并合比例显著较低（仅20%），表明并合并非此类系统的主要触发机制。
• 黑洞质量与宿主星系光度之间存在紧密且统计显著的相关性，斜率为β = 0.25，与本地球状星系的近线性关系不一致。
• 总辐射光度与rest-frame U-V色指数之间的相关性表现出高散度，但具有统计显著性，与尘埃消光导致的‘吹出’阶段峰值光度一致。
• 具有并合特征的蓝色射电噪类星体普遍存在，挑战了‘吹出’模型，表明并合特征可能持续时间超过典型类星体寿命。
• 结果支持一种情景：双超大质量黑洞并合可能通过提升残余黑洞自旋，驱动相对论喷流的形成。