[论文解读] Relight the Candle: What happens to High Redshift Massive Quenched Galaxies

Rhea–Silvia Remus, Lucas C. Kimmig|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

利用 Magneticum Pathfinder 流体动力学宇宙学模拟，本研究成功再现了红移 z ≈ 3.4 时的高红移大质量熄灭星系（星星质量 >5×10¹⁰ M☉，形成红移最高达 z ≈ 6）。研究发现，30% 的这类星系在 z=2 时通过冷气体流入在外部区域重新形成恒星而实现“重生”，而大多数最终位于低质量星系群晕而非星系团中，挑战了关于其最终环境的传统假设。

ABSTRACT

A puzzling population of extremely massive quiescent galaxies at redshifts beyond z=3 has recently been revealed by JWST and ALMA, some of them with stellar ages that show their quenching times to be as high as z=6, while their stellar masses are already above 5e10Msun. These extremely massive yet quenched galaxies challenge our understanding of galaxy formation at the earliest stages. Using the hydrodynamical cosmological simulation suite Magneticum Pathfinder, we show that such massive quenched galaxies at high redshifts can be successfully reproduced with similar number densities as observed. The stellar masses, sizes, formation redshifts, and star formation histories of the simulated quenched galaxies match those determined with JWST. Following these quenched galaxies at z=3.4 forward in time, we find 20% to be accreted onto a more massive structure by z=2, and from the remaining 80% about 30% rejuvenate up to z=2, another 30% stay quenched, and the remaining 40% rejuvenated on a very low level of star formation. Stars formed through rejuvenation are mostly formed on the outer regions of the galaxies, not in the centres. Furthermore, we demonstrate that the massive quenched galaxies do not reside in the most massive nodes of the cosmic web, but rather live in side-nodes of approximately Milky-Way halo mass. Even at z=0, only about 10% end up in small-mass galaxy clusters, while most of the quenched galaxies at z=3.4 end up in group-mass halos, with about 20% actually not even reaching 1e13Msun in halo mass.

研究动机与目标

• 解释由 JWST 和 ALMA 在 z > 3 观测到的极端大质量、熄灭星系的起源与演化，这些星系对当前星系形成模型构成挑战。
• 研究这些高红移熄灭星系的命运，特别是它们是否在宇宙时空中保持熄灭状态或实现重生。
• 确定这些星系的环境与结构演化，包括其在 z=0 时的最终晕质量与团聚特性。
• 评估冷气体流入与热喷流在驱动熄灭星系重生过程中的作用。
• 检验在包含真实物理过程的宇宙学模拟中，是否能够再现高红移观测到的紧凑、大质量熄灭星系。

提出的方法

• 本研究使用 Magneticum Pathfinder 流体动力学宇宙学模拟套件，从 z ≈ 3.4 模拟星系形成与演化至 z = 0。
• 基于星星质量（>5×10¹⁰ M☉）、熄灭状态（低恒星形成率）和形成红移（最高达 z ≈ 6）在 z ≈ 3.4 识别出大质量熄灭星系。
• 模拟追踪这些星系随时间的演化路径，将结果分类为吸积、重生或持续熄灭。
• 对重生星系的恒星形成进行空间分析，重点关注其相对于半光半径（r₁/₂）的径向分布。
• 将重生现象与冷气体流入速率相关联，并与热喷流组分对比，以分离出主要的再激活驱动机制。
• 在 z=0 测量最终晕质量与大尺度环境（如星系团、星系群、孤立区域），以评估其结构与环境演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 Magneticum Pathfinder 模拟能否再现高红移大质量熄灭星系的观测数密度、星星质量、大小、形成红移与熄灭历史？
• RQ2 在 z ≈ 3.4 时，有多少比例的高红移大质量熄灭星系在 z = 2 时仍保持熄灭、实现重生或被吸积到更大质量结构中？
• RQ3 在 z = 0 时，这些熄灭星系在最终晕质量与大尺度环境方面最终位于何处？
• RQ4 驱动重生的物理机制是什么——冷气体流入还是热喷流？在重生星系中，恒星形成在空间上如何分布？
• RQ5 高红移时星系的初始环境在多大程度上影响其长期演化及其在宇宙网中的最终位置？

主要发现

• 模拟成功再现了高红移大质量熄灭星系的观测数密度、星星质量、大小、形成红移（最高达 z ≈ 6）与熄灭红移。
• 在 z = 2 时，20% 的 z ≈ 3.4 熄灭星系被吸积到更大质量结构中，而 80% 仍为低质量晕的中心星系或卫星星系。
• 在剩余的 80% 中，30% 实现重生并出现显著恒星形成，30% 保持完全熄灭，40% 仅表现出微弱的残余恒星形成。
• 重生的恒星形成主要发生在外部区域（1–3 r₁/₂），而非中心区域，这与正常恒星形成星系有明显区别。
• 重生与冷气体流入强相关，但与热喷流组分无关，表明流入的冷气体是再激活的主要驱动力。
• 在 z = 0 时，来自 z ≈ 3.4 的熄灭星系最终位于的晕质量平均比 z ≈ 3.4 时非熄灭的大质量星系小 50%，尤其对保持为中心星系的星系而言，这是由于其起源于低密度环境。