[论文解读] Relations Between Environments of Quasars and Galaxy Formation

Motohiro Enoki, Masahiro Nagashima+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 64被引用 24

一句话总结

本研究在冷暗物质分层聚集框架内采用半解析模型，将类星体活动与星系形成，特别是通过主要并合形成的星系核球结构联系起来。结果预测，在 z ≈ 0.2–0.5 时，类星体主要存在于星系群中；而在 z ≈ 1–2 时，其环境范围更广，涵盖从星系群到星系团的多种环境，为未来对类星体形成模型的观测约束提供了可检验的预测。

ABSTRACT

We investigate the environments of quasars such as number distribution of galaxies using a semi-analytic model which includes both galaxy and quasar formations based on the hierarchical clustering scenario. We assume that a supermassive black hole is fueled by accretion of cold gas and that it is a source of quasar activity during a major merger of the quasar host galaxy with another galaxy. This major merger causes spheroid formation of the host galaxy. Our model can reproduce not only general form of the galaxy luminosity functions in the local Universe but also the observed relation between a supermassive black hole mass and a spheroid luminosity, the present black hole mass function and the quasar luminosity functions at different redshifts. Using this model, we predict the mean number of quasars per halo, bias parameter of quasars and the probability distribution of the number of galaxies around quasars. In our model, analysis of the mean number of quasars per halo shows that the spatial distribution of galaxies is different from that of quasars. Furthermore, we found from calculation of the probability distribution of galaxy numbers that at $0.2 \lesssim z \lesssim 0.5$, most quasars are likely to reside in galaxy groups. On the other hand, at $1 \lesssim z \lesssim 2$ most quasars seem to reside in more varied environments than at a lower redshift; quasars reside in environments ranging from small groups of galaxies to clusters of galaxies. Comparing these predictions with observations in future will enable us to constrain our quasar formation model.

研究动机与目标

• 理解类星体环境与星系形成之间的物理联系，特别是核球结构的形成。
• 在分层聚集情景下，建立星系与类星体形成的统一模型。
• 预测不同红移下类星体周围星系的空间分布以及不同晕中类星体的平均数量。
• 检验类星体环境是否能约束类星体燃料供给与黑洞增长的物理机制。
• 为未来观测比较提供定量预测，特别是利用大规模类星体巡天。

提出的方法

• 该模型基于冷暗物质（CDM）宇宙学框架和分层结构形成理论，采用半解析方法。
• 通过蒙特卡洛暗物质晕并合树模拟星系与类星体形成，气体冷却、恒星形成及超新星反馈通过简化的方程建模。
• 类星体活动由宿主星系的主要并合触发，促使冷气体向中心流动，从而为超大质量黑洞吸积提供燃料。
• 模型采用瞬时回收近似法，结合气体返还参数（R = 0.25）与再加热效率参数（β），构建恒星形成与气体演化方案。
• 关键输出包括不同红移下的类星体光度函数、黑洞质量函数以及星系光度函数，均与本地观测进行对比。
• 模型计算了每晕中类星体的平均数量、类星体周围星系数量的概率分布，以及星系-类星体空间互相关函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分层星系形成模型中，类星体的环境如何随红移演化？
• RQ2 在不同红移下，类星体周围星系的预测分布是什么？与观测结果如何比较？
• RQ3 能否通过并合驱动的类星体燃料供给模型重现观测到的类星体与黑洞质量函数？
• RQ4 在分层结构形成背景下，核球形成与类星体活动之间是否存在物理联系？
• RQ5 该模型中类星体的偏移量与聚类特性与星系相比有何不同？

主要发现

• 该模型成功再现了本地星系光度函数、黑洞质量-核球光度关系、现今黑洞质量函数，以及多个红移下的类星体光度函数。
• 在红移 0.2 ≲ z ≲ 0.5 时，模型预测大多数类星体位于星系群中，与低红移观测结果一致。
• 在更高红移（1 ≲ z ≲ 2）时，类星体被预测存在于从小型星系群到富星系团的广泛环境之中，表明环境多样性更高。
• 星系的空间分布与类星体不同，表明类星体并非整体星系分布的简单示踪者。
• 类星体周围星系数量的概率分布显示，高红移时呈现双峰或展宽的峰，反映了并合环境的多样性。
• 该模型预测类星体具有非平凡的偏移参数，表明其聚类程度强于典型星系，尤其在高红移时更为显著。