[论文解读] The Connection between Mergers and AGN Activity in Simulated and Observed Massive Galaxies

Ray S. Sharma, Ena Choi+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 170被引用 8

一句话总结

本研究利用高分辨率宇宙学zoom模拟和模拟的HST类观测，探究了大质量星系中星系并合与活动星系核（AGN）活动之间的关联。研究发现，主要并合（major mergers）并不会显著驱动AGN活动或超大质量黑洞（SMBH）的增长，除非在低红移时发生罕见的富气并合，这表明在大多数情况下，其他燃料供给机制可能更为重要。

ABSTRACT

We analyze a suite of $30$ high resolution zoom-in cosmological hydrodynamic simulations of massive galaxies with stellar masses $M_{\ast} > 10^{10.9} M_\odot$, with the goal of better understanding merger activity in AGN, AGN activity in merging systems, SMBH growth during mergers, and the role of gas content. Using the radiative transfer code extsc{Powderday}, we generate HST-WFC3 F160W synthetic observations of redshift $0.5 < z < 3$ central galaxies, add noise properties similar to the CANDELS survey, and measure morphological properties from the synthetic images using commonly adopted non-parametric statistics. We compare the distributions of morphological properties measured from the synthetic images with a sample of inactive galaxies and X-ray selected AGN hosts from CANDELS. We study the connection between mergers and AGN activity in the simulations, the synthetic images, and the observed CANDELS sample. We find that, in both the simulations and CANDELS, even the most luminous $(L_{ m bol} > 10^{45}$ erg s$^{-1})$ AGN in our sample are no more likely than inactive galaxies $(L_{ m bol} < 10^{43}$ erg s$^{-1})$ to be found in merging systems. We also find that AGN activity is not overall enhanced by mergers, nor enhanced at any specific time in the $1$ Gyr preceding and following a merger. Even gas rich major mergers (stellar mass ratio $>$1:4) do not necessarily enhance AGN activity or significantly grow the central SMBH. We conclude that in the simulated massive galaxies studied here, mergers are not the primary drivers of AGN.

研究动机与目标

• 确定主要并合是否是大质量星系中AGN活动的主要驱动力。
• 评估气体含量和并合阶段在触发AGN及SMBH增长中的作用。
• 通过模拟成像与真实CANDELS观测对比，比较模拟的并合-AGN关联。
• 评估并合诱导的AGN活动是否与观测到的AGN光度函数及并合率一致。
• 探究星系内禀演化过程与并合驱动燃料供给在AGN吸积中的相对重要性。

提出的方法

• 利用从 $z = 0.5$ 到 $3$ 的高分辨率宇宙学zoom-in流体动力学模拟，模拟29个大质量星系（$M_{\rm star} > 10^{10.9} M_\odot$）。
• 应用Powderday辐射转移代码，生成具有CANDELS类PSF和图像拼接的HST-WFC3 F160W模拟观测。
• 利用非参数形态统计量和基于模拟数据训练的随机森林分类器，在模拟图像中识别并合事件。
• 通过质量匹配的对照样本，比较AGN与非活跃星系中的并合分数，以及并合与非并合系统中的AGN分数。
• 分析并合阶段期间SMBH的质量增长，并与AGN光度和气体含量进行相关性分析。
• 通过使用一致的分析流程将模拟观测与真实CANDELS数据对比，验证结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 主要并合（质量比 >1:4）是否是大质量星系中AGN活动的主要触发因素？
• RQ2 在模拟的大质量星系中，SMBH质量在并合事件期间是否显著增加？
• RQ3 在不同红移下，并合系统中的AGN分数与非并合系统相比如何？
• RQ4 富气并合是否在红移依赖性上发挥关键作用，以触发可观测的AGN活动？
• RQ5 模拟生成的合成观测在多大程度上再现了CANDELS中观测到的AGN-并合关联？

主要发现

• 主要并合并不会显著促进SMBH的增长，因为处于并合状态的时间与黑洞质量增长之间并无明显相关性。
• AGN在并合系统中的出现概率与非活跃星系并无显著差异，除非在低红移（$0.5 < z < 0.9$）时，富气并合表现出AGN出现率的轻微提升。
• 最明亮的AGN（$L_{\rm bol} > 10^{45}$ erg s$^{-1}$）在并合系统中出现的概率并不高于非活跃星系。
• 富气并合最常出现在高红移（$1.5 < z < 3$），但在此红移范围内并无证据表明其能触发AGN活动。
• 当采用一致且系统的方法进行分析时，模拟的AGN-并合关联与CANDELS观测结果一致。
• 这些结果表明，尽管富气并合可能在低红移时是触发可观测AGN的必要条件，但对中等光度AGN而言，其他燃料供给机制（如冷却流或星系内禀过程）可能更为主导。