[论文解读] The impact of black hole feedback on the UV luminosity and stellar mass assembly of high-redshift galaxies

Olmo Piana, Pratika Dayal+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 113被引用 14

一句话总结

本研究采用Delphi半解析模型，探究类星体反馈对高红移星系（z ≈ 4–6）紫外波段光度及恒星质量积累的影响。结果表明，在明亮星系（M_UV < −24 mag）中，活动星系核（AGN）可显著超过恒星紫外辐射；当黑洞能量输出约为晕质量束缚能的1%时，反馈效果最强，使z = 5时M_h ~ 10^11.75 M⊙的星系中，恒星形成率降低约三倍。

ABSTRACT

We employ the Delphi semi-analytical model to study the impact of black hole growth on high-redshift galaxies, both in terms of the observed UV luminosity and of the star formation rate. To do this, firstly, we assess the contribution of AGN to the total galaxy UV luminosity as a function of stellar mass and redshift. We find that for $M_{UV} < -24$ mag and $z \approx 5 - 6$ the galaxies for which the black hole UV luminosity outshines the stellar UV emission become the majority, and we estimate their duty cycle. Secondly, we study the evolution of the AGN and stellar luminosity functions (LFs), finding that it is driven both by changes in their characteristic luminosities (i.e. evolution of the intrinsic brightness of galaxies) and in their normalizations (i.e. evolution of the number densities of galaxies), depending on the luminosity range considered. Finally, we follow the mass assembly history for three different halo mass bins, finding that the magnitude of AGN-driven outflows depends on the host halo mass. We show that AGN feedback is most effective when the energy emitted by the accreting black hole is approximately $1\%$ of the halo binding energy, and that this condition is met in galaxies in halos with $M_h \sim 10^{11.75} M_\odot$ at $z=4$. In such cases, AGN feedback can drive outflows that are up to 100 times more energetic than SN-driven outflows, and the star formation rate is a factor of three lower than for galaxies of the same mass without black hole activity.

研究动机与目标

• 量化活动星系核对高红移星系总紫外光度的贡献，尤其关注紫外光度函数（UVLF）亮端区域。
• 分离活动星系核与恒星对紫外光度函数（UVLF）的贡献，理解其在宇宙时空中演化机制。
• 评估活动星系核反馈对z > 4不同晕质量星系中恒星形成与质量积累的影响。
• 确定活动星系核反馈相对于超新星反馈成为主导抑制机制的条件。
• 评估黑洞辐射能量输出与晕束缚能之比在驱动有效外流及抑制恒星形成中的作用。

提出的方法

• 利用Delphi半解析模型，模拟z ≈ 4至6期间暗物质晕中星系形成与黑洞增长过程。
• 应用Ueda等人（2014）与Merloni等人（2014）的活动星系核可见度修正，以考虑活动星系核探测中的遮蔽效应。
• 分别追踪活动星系核与恒星成分的紫外光度函数（LF）及其随时间的演化，以及二者总和的演化。
• 计算由超新星与活动星系核驱动外流的质量加载因子（η），以比较其能量与质量喷射效率的相对强弱。
• 计算黑洞辐射能量输出与晕束缚能之比，以识别反馈效率最大的临界阈值。
• 分析合并树数据，确定不同晕质量区间内活动星系核模式的占空比与主导时间比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≈ 5–6时，活动星系核对高红移星系总紫外光度的贡献程度如何，特别是在M_UV < −24 mag区域？
• RQ2 活动星系核与恒星的紫外光度函数如何随红移演化？其演化驱动力是光度变化还是数密度变化？
• RQ3 在何种晕质量与红移下，活动星系核反馈对恒星形成抑制最有效？其物理临界条件为何？
• RQ4 在不同质量星系中，活动星系核驱动外流的能量何时超过超新星驱动外流的能量？
• RQ5 活动星系核反馈对宿主大质量黑洞星系的恒星形成率与恒星质量积累有何影响？

主要发现

• 在z ≈ 5–6时，M_UV < −24 mag的星系中，多数情况下活动星系核紫外光度比恒星辐射高出约100倍，经遮蔽修正后占空比约为16%。
• 低质量星系前体的恒星紫外光度函数仅演化至z ≈ 8，而高质量星系光度函数持续演化，表明亮端总紫外光度函数的演化主要由亮度演化主导。
• 在M_h|z=4 ≈ 10^11.4 M⊙的晕中，z ≈ 5–6时活动星系核驱动外流开始主导于超新星驱动外流，且在低质量晕中该转变更早发生。
• 在低质量晕（M_h ~ 10^11.75 M⊙）中，活动星系核驱动外流的质量加载因子可达η_bh ≈ 10^3.7，显著超过同一质量范围内的超新星反馈（η_sn ≈ 13）。
• 当黑洞辐射能量输出约为晕束缚能的1%时，活动星系核反馈使z = 5时M* ~ 10^9.5 M⊙星系的恒星形成率降低约三倍。
• 在z = 4时，晕质量M_h ~ 10^11.75 M⊙的星系中，黑洞吸积能量输出约为晕束缚能的1%，此时外流能量与抑制效率达到最大，反馈效果最显著。