[论文解读] The host dark matter haloes of the first quasars

Tiago Costa|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文利用高分辨率宇宙学模拟预测，在 z ≈ 6 处的类星体若宿主于大质量暗物质晕（M_h ≳ 5×10¹² M☉）中，其投影半径约 10 kpc 处的伴星系应表现出高达 1000 km s⁻¹ 的视线速度，且运动迅速。ALMA、JWST 和 MUSE 的观测数据显示，速度分布与高质晕情景一致，排除了低质晕宿主的可能性，证实首批类星体位于稀有、大质量结构中。

ABSTRACT

If $z > 6$ quasars reside in rare, massive haloes, $Λ$CDM cosmology predicts they should be surrounded by an anomalously high number of bright companion galaxies. Here I show that these companion galaxies should also move unusually fast. Using a new suite of cosmological, `zoom-in' hydrodynamic simulations, I present predictions for the velocity distribution of quasar companion galaxies and its variation with quasar host halo mass at $z \, = \, 6$. Satellites accelerate as they approach the quasar host galaxy, producing a line-of-sight velocity profile that broadens with decreasing distance to the quasar host galaxy. This increase in velocity dispersion is particularly pronounced if the host halo mass is $\gtrsim 5 imes 10^{12} \, m M_\odot$. Typical line-of-sight speeds rise to $\approx 500 \, m km \, s^{-1}$ at projected radii $\sim 10 \, m kpc$. For about $10\%$ of satellites, they should exceed $800 \, m km \, s^{-1}$, with $\approx 5\%$ of companions reaching line-of-sight speeds $\sim 1000 \, m km \, s^{-1}$. For lower host halo masses $\approx 5 imes 10^{11} - 10^{12} \, m M_\odot$, the velocity profile of companion galaxies is significantly flatter. In this case, typical line-of-sight velocities are $\approx 250 \, m km \, s^{-1}$ and do not exceed $\approx 500 \, m km \, s^{-1}$. A comparison with existing ALMA, JWST and MUSE line-of-sight velocity measurements reveals that observed $z > 6$ quasar companions closely follow the velocity distribution expected for a host halo with mass $\gtrsim 5 imes 10^{12} \, m M_\odot$, ruling out a light host halo. Finally, through an estimate of UV and \oiii \, luminosity functions, I show that the velocity distribution more reliably discriminates between halo mass than companion number counts, which are strongly affected by cosmic variance.

研究动机与目标

• 测试高红移类星体的宿主暗物质晕是否足够大质量，以符合 ΛCDM 模型对黑洞快速增长的要求。
• 解决观测巡天中因宇宙方差和探测偏差导致的 z>6 类星体周围存在矛盾的增强信号的问题。
• 提出一种更稳健的动力学探针——伴星系的视线速度分布，以替代数目计数，用于约束宿主晕质量。
• 通过速度 dispersion 分布图区分低质量（≲10¹² M☉）与高质晕（≳5×10¹² M☉）宿主情景。

提出的方法

• 开展‘聚焦’宇宙学流体动力学模拟，以模拟 z = 6 时类星体宿主晕的形成与动力学。
• 追踪两种不同质量区间的晕中类星体周围卫星星系的视线速度分布：≈5×10¹¹–10¹² M☉ 和 ≈6–7×10¹² M☉。
• 模拟卫星在引力作用下向中心类星体下落过程，导致视线速度 dispersion 随投影半径减小而增加。
• 将模拟的速度分布与 ALMA、MUSE 和 JWST 的现有观测数据进行比较，以检验模型一致性。
• 估算紫外和 [O III] 亮度函数，以评估数目计数与速度分布作为晕质量判别器的可靠性。
• 利用宇宙方差估计，量化伴星系计数的离散性，并证明速度分布对晕质量的敏感性优于数目计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 若 z ≈ 6 类星体宿主于大质量暗物质晕（M_h ≳ 5×10¹² M☉）中，其伴星系的视线速度分布如何？
• RQ2 在高质晕与低质晕宿主中，类星体伴星系的视线速度分布如何随距中心类星体的投影距离变化？
• RQ3 z>6 类星体伴星系的观测视线速度能否排除低质晕宿主情景（M_h ≲ 10¹² M☉）？
• RQ4 考虑到宇宙方差的影响，伴星系的速度分布是否比伴星系数目计数更可靠的晕质量指标？
• RQ5 在高质晕中，预计有多少比例的类星体伴星系会表现出极高速度（>800 km s⁻¹）？

主要发现

• 在大质量宿主晕（M_h ≳ 5×10¹² M☉）中，伴星系的视线速度 dispersion 在投影半径 ≲10 kpc 处显著增加，平均达到 ≈500 km s⁻¹，约 10% 的卫星速度超过 800 km s⁻¹。
• 在高质晕中，约 5% 的伴星系视线速度达到 ∼1000 km s⁻¹，表明存在强引力势阱并发生快速下落。
• 相比之下，低质晕（≈5×10¹¹–10¹² M☉）产生更平坦的速度分布，典型视线速度约为 ≈250 km s⁻¹，且无任何伴星系速度超过 ≈500 km s⁻¹。
• ALMA、MUSE 和 JWST 的观测速度测量显示速度分布展宽，并出现高达 ∼1000 km s⁻¹ 的极端速度，与高质晕情景一致，与低质晕情景不一致。
• 速度分布是比伴星系数目计数更可靠的晕质量指标，因为宇宙方差对计数影响显著，但对速度 dispersion 分布影响较小。
• 结果证实，z ≈ 6 类星体必须位于 M_h ≳ 5×10¹² M☉ 的大质量晕中，支持了 ΛCDM 模型对早期超大质量黑洞形成的预测。