[论文解读] Synchronized Co-evolution between Supermassive Black Holes and Galaxies Over the Last Seven Billion Years as Revealed by the Hyper Suprime-Cam

Junyao Li, J. D. Silverman+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 122被引用 40

一句话总结

本研究利用Hyper Suprime-Cam成像和virial黑洞质量估计，分析了584个在0.2 < z < 0.8范围内均匀选取的SDSS类星体，以研究MBH–M⋆关系的演化。通过正向建模模拟类星体样本以校正选择偏差和测量不确定性，作者发现自z ∼0.8以来MBH–M⋆关系无显著演化，内在离散度为0.25+0.03−0.04 dex，与本地值一致，表明其可能由AGN反馈或共享气体供应驱动的紧密、同步共演化机制所致。

ABSTRACT

We measure the evolution of the $M_{ m BH}-M_*$ relation using 584 uniformly-selected SDSS quasars at $0.2<z<0.8$. The black-hole masses ($M_{ m BH}$) are derived from the single-epoch virial mass estimator using the H$\beta$ emission line, and span the range $7.0<{ m log}\,M_{ m BH}/M_\odot<9.5$. The host-galaxy stellar masses ($M_*$), which cover the interval $10.0<{ m log}\,M_* / M_\odot <11.5$, are determined by performing two-dimensional quasar-host decomposition of the Hyper Suprime-Cam images and spectral energy distribution fitting. To quantify sample-selection biases and measurement uncertainties on the mass terms, a mock quasar sample is constructed to jointly constrain the redshift evolution of the $M_{ m BH}-M_*$ relation and its intrinsic scatter ($\sigma_\mu$) through forward modeling. We find that the level of evolution is degenerate with $\sigma_\mu$, such that both positive mild evolution (i.e, $M_{ m BH}/M_*$ increases with redshift) with a small $\sigma_\mu$, and negative mild evolution with a larger $\sigma_\mu$ are consistent with our data. The posterior distribution of $\sigma_\mu$ enables us to put a strong constraint on the intrinsic scatter of the $M_{ m BH}-M_*$ relation, which has a best inference of $0.25_{-0.04}^{+0.03}$ dex, consistent with the local value. The redshift evolution of the $M_{ m BH}-M_*$ relation relative to the local relation is constrained to be $(1+z)^{0.12_{-0.27}^{+0.28}}$, in agreement with no significant evolution since $z\sim0.8$. The tight and non-evolving $M_{ m BH}-M_*$ relation is suggestive of a coupling through AGN feedback or/and a common gas supply at work, thus restricting the mass ratio of galaxies and their black holes to a limited range. Given the considerable stellar disk component, the $M_{ m BH}-M_{ m bulge}$ relation may evolve as previously seen at higher redshifts.

研究动机与目标

• 研究遥远宇宙中超大质量黑洞质量–星族星质量（MBH–M⋆）关系的红移演化。
• 解决高红移类星体样本中可能扭曲观测到的MBH–M⋆关系的样本选择偏差和测量不确定性。
• 确定MBH–M⋆关系在过去七亿年中是否显著演化，特别是在AGN反馈或共同气体供应机制的背景下。
• 评估星系形态（如盘状与核球主导）在中等红移下对MBH–M⋆和MBH–Mbulge关系的影响。
• 检验观测到的MBH–M⋆关系是否与本地关系一致，或是否因选择效应或物理过程而显示出演化的迹象。

提出的方法

• 利用Hyper Suprime-Cam（HSC）巡天在grizy波段的深空、高分辨率成像，对584个0.2 < z < 0.8的SDSS类星体进行二维类星体–宿主分解。
• 通过分解后宿主成分的谱谱能量分布（SED）拟合测量宿主星系的星族星质量（M⋆）。
• 基于Hβ发射线宽度和AGN光度，使用单次观测virial质量估计法估算黑洞质量（MBH）。
• 通过正向建模构建模拟类星体样本，整合红移演化、内在离散度（σµ）以及观测偏差（如星等极限、选择函数）。
• 使用贝叶斯推断，通过将模拟分布与观测数据对比，联合约束MBH–M⋆关系的红移演化及其内在离散度。
• 考虑样本选择偏差，如virial质量估计中的光度依赖性偏差以及AGN占空因子对MBH的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MBH–M⋆关系在z ∼0.8至现今之间是否显著演化？
• RQ2 样本选择效应和测量不确定性在多大程度上偏差高红移类星体样本中观测到的MBH–M⋆关系？
• RQ3 在z ∼0.8时，MBH–M⋆关系的内在离散度（σµ）是多少，与本地值相比如何？
• RQ4 在中等红移下，类星体宿主的形态（盘状主导 vs. 核球主导）如何影响MBH–M⋆和MBH–Mbulge关系？
• RQ5 在z ∼0.8时，MBH–M⋆关系是否与本地MBH–Mbulge关系一致？这对大质量星系演化路径意味着什么？

主要发现

• 相对于本地关系，MBH–M⋆关系的红移演化被约束为(1 + z)^0.12+0.28−0.27，表明自z ∼0.8以来无统计显著演化。
• MBH–M⋆关系的内在离散度（σµ）测定为0.25+0.03−0.04 dex，与本地值一致，且对选择偏差具有鲁棒性。
• MBH–M⋆关系在过去七亿年中无显著演化，表明存在如AGN反馈或共享气体供应等同步共演化机制。
• 在z ∼0.8时，盘状主导类星体使用总星族星质量（M⋆）时遵循本地MBH–Mbulge关系，但若要在未来3–7 Gyr内与本地MBH–Mbulge关系对齐，则需核球质量增加约≳2倍。
• 对于核球主导和盘状主导类星体，观测到的MBH/M⋆比值与本地MBH/Mbulge比值一致，表明MBH–M⋆关系可能是本地MBH–Mbulge关系的前体。
• 合并可能进一步收紧比例关系，因为对于质量较大的星系（log M⋆ > 10.8），其内在离散度更小（σµ = 0.21+0.04−0.04 dex），而质量较小的星系则为σµ = 0.29+0.04−0.05 dex。