[论文解读] Quenching massive galaxies across cosmic time with the semi-analytic model SHARK v2.0

Claudia del P. Lagos, Matías Bravo+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本文提出 Shark v2.0，一种半解析的星系形成模型，对黑洞自旋演化、角动量交换以及双模式活动星系核（AGN）反馈模型（类星体模式与射电模式）进行了重大升级。该模型成功再现了 z ≥ 2 时大质量宁静星系的观测丰度，解决了长期存在的模型与观测之间的矛盾：与 v1.1 相比，此类星系的数密度提高了超过 1 dex，与詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）数据高度一致。

ABSTRACT

We introduce version 2.0 of the SHARK semi-analytic model of galaxy formation after many improvements to the physics included. The most significant being: (i) a model describing the exchange of angular momentum (AM) between the interstellar medium and stars; (ii) a new active galactic nuclei feedback model which has two modes, a wind and a jet mode, with the jet mode tied to the jet energy production; (iii) a model tracking the development of black hole (BH) spins; (iv) more sophisticated modelling of environmental effects on satellite galaxies; and (v) automatic parameter exploration using Particle Swarm Optimisation. We focus on two timely research topics: the structural properties of galaxies and the quenching of massive galaxies. For the former, SHARK v2.0 is capable of producing a more realistic stellar size-mass relation with a plateau marking the transition from disk- to bulge-dominated galaxies, and scaling relations between specific AM and mass that agree well with observations. For the quenching of massive galaxies, SHARK v2.0 produces massive galaxies that are more quenched than the previous version, reproducing well the observed relations between star formation rate (SFR) and stellar mass, and specific SFR and BH mass at $z=0$. SHARK v2.0 produces a number density of massive-quiescent galaxies >1dex higher than the previous version, in good agreement with JWST observations at $z\le 5$; predicts a stellar mass function of passive galaxies in reasonably good agreement with observations at $0.5

研究动机与目标

• 解决半解析模型与观测之间长期存在的矛盾：在 z ≥ 2 时，大质量宁静星系的稀缺性问题。
• 通过引入一个标记盘状与球状星系过渡的物理解释平台，改善恒星质量-大小关系的真实性。
• 改进黑洞自旋演化与 AGN 反馈的建模，以更好地再现恒星形成率（SFR）、黑洞质量与抑制之间的观测标度关系。
• 利用粒子群优化（Particle Swarm Optimisation）实现系统性参数探索，以提升模型校准效果。
• 评估环境抑制与 AGN 反馈在宇宙时空中塑造大质量星系演化中的作用。

提出的方法

• 引入了恒星与星际介质之间角动量交换的新模型，改善了星系的结构演化。
• 实施了双模式 AGN 反馈模型：类星体模式用于辐射反馈，射电模式与喷流能量产生相关，反馈效率依赖于黑洞自旋。
• 自洽地追踪黑洞自旋演化，将自旋演化与吸积模式及爱丁顿比联系起来。
• 通过引入更真实的动力摩擦 timescale 和增强的环境效应，改进了卫星星系的演化。
• 使用粒子群优化方法探索参数空间，并将模型与观测约束进行校准。
• 利用宇宙学晕合并树模拟宇宙时空中星系群体的演化，输出结果与 JWST 及其他巡天的观测数据进行对比。

Figure 1: Galaxy SMF in Shark v2.0 (solid red line) and the default model in L18 (dashed black line), from $z=0$ to $z=8$ , as labelled. We show observations from Li & White ( 2009 ); Bernardi et al. ( 2013 ); Driver et al. ( 2022 ) at $z=0$ , Muzzin et al. ( 2013 ); Thorne et al. ( 2021 ); Weaver e

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过改进 AGN 反馈与角动量物理的半解析模型，再现恒星质量-大小关系中的观测平台？
• RQ2 是否包含黑洞自旋演化与双模式 AGN 反馈，能够解决高红移大质量星系中的过度抑制问题？
• RQ3 环境抑制在 z ≥ 5 时对大质量宁静星系形成贡献有多大？
• RQ4 在 0.5 < z < 5 范围内，新模型在宁静星系的数密度与恒星质量函数方面与观测相比如何？
• RQ5 在 z = 0 时，新 AGN 反馈模型对特定恒星形成率（sSFR）–黑洞质量关系有何影响？

主要发现

• Shark v2.0 生成了具有清晰平台的现实恒星质量-大小关系，平台位于 log(M*/M☉) ≈ 10.5 处，标志着从盘状星系向球状星系的过渡。
• 模型再现了恒星质量与特定角动量之间的观测标度关系，与 v1.1 相比与观测数据的符合度更高。
• 与 v1.1 相比，Shark v2.0 在 z ≥ 2 时将大质量宁静星系（M* > 10^10 M☉）的数密度提高了超过 1 dex，与 JWST 观测结果高度一致。
• 模型预测的宁静星系恒星质量函数在 0.5 < z < 5 范围内与观测结果一致，尤其在使用一致的颜色-颜色选择标准时表现更佳。
• 在 Shark v2.0 中，环境抑制在 z ≈ 5 时已有效发挥作用，高红移下被动卫星星系的丰度高于 v1.1。
• Shark v2.0 在黑洞质量 > 10^8 M☉ 时，表现出更大的 sSFR 散布，与 Terrazas 等人（2017）的观测数据更一致。

Figure 2: Galaxy baryon mass function in Shark v2.0 (red lines) and the default model in L18 (thin black lines), as labelled, at $z=0$ for galaxies in $4$ bins of host halo mass, as labelled in each panel. We separate the contribution of central (solid lines) and satellite (dashed lines) galaxies in