[论文解读] Unleashing Positive Feedback: Linking the Rates of Star Formation and Supermassive Black Hole Accretion

Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 1

一句话总结

本文提出，活动星系核（AGN）喷流和风驱动的压力可调节恒星形成效率，从而增强富含气体的盘状星系中的恒星形成速率，尤其在高红移时。该研究推导出黑洞吸积、恒星形成与外流速率之间的解析关系，预测了随时间演变的关键质量与速率比值，提出了一种可检验的机制，解释AGN触发的恒星形成在休止化发生前的机制。

ABSTRACT

Pressure-regulated star formation is a simple variant on the usual supernova-regulated star formation efficiency that controls the global star formation rate as a function of cold gas content in star-forming galaxies, and accounts for the Schmidt-Kennicutt law in both nearby and distant galaxies. Inclusion of AGN-induced pressure, by jets and/or winds that flow back onto a gas-rich disk, can lead under some circumstances to significantly enhanced star formation rates, especially at high redshift and most likely followed by the more widely accepted phase of star formation quenching. Simple expressions are derived that relate supermassive black hole growth, star formation and outflow rates. The ratios of black hole to spheroid mass and of both black hole accretion and outflow rates to star formation rate are predicted as a function of time. I suggest various tests of the AGN-triggered star formation hypothesis.

研究动机与目标

• 通过压力调节的恒星形成机制，解释宇宙时空中恒星形成律（Schmidt-Kennicutt定律）的演化。
• 研究AGN外流（通过喷流和风）如何在抑制恒星形成之前，暂时增强恒星形成速率。
• 推导黑洞吸积速率、恒星形成速率与外流速率之间随时间变化的解析表达式。
• 预测关键比值（黑洞与星系体质量比，以及吸积/外流与恒星形成速率比）随时间的演化。
• 提出可检验的观测特征，以验证AGN触发恒星形成的假说。

提出的方法

• 将Schmidt-Kennicutt定律进行改进，以AGN外流产生的压力调节替代超新星反馈。
• 将AGN诱导的压力建模为一种反向流动分量，压缩盘中冷气体，从而提高恒星形成效率。
• 推导出恒星形成速率、黑洞吸积速率与外流速率的解析表达式，其依赖于冷气体面密度和时间。
• 引入一种时间依赖的反馈模型，初始阶段出现增强，随后发生休止化，与观测到的星系演化一致。
• 使用简单的解析解，预测关键无量纲比值（如M_BH/M_spheroid、L_acc/L_SFR）的演化。
• 基于这些比值在高红移星系中随时间的演化预测，提出观测检验方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN喷流和风产生的压力是否能增强富含气体盘状星系（尤其在高红移时）的恒星形成速率？
• RQ2 在此模型中，黑洞吸积速率、外流速率与恒星形成速率的比值如何随时间演化？
• RQ3 在此反馈机制下，黑洞质量与星系体质量比的演化趋势如何预测？
• RQ4 该模型是否能在本地和遥远星系中均重现观测到的Schmidt-Kennicutt关系？
• RQ5 哪些观测特征可将AGN触发的恒星形成与其他反馈情景区分开来？

主要发现

• AGN诱导的压力可显著增强富含气体盘状星系中的恒星形成速率，尤其在高红移时，其机制是冷气体被压缩。
• 通过以压力调节替代超新星反馈，该模型在本地和遥远星系中均能重现Schmidt-Kennicutt关系。
• 黑洞吸积速率与恒星形成速率的比值随时间演化，先出现峰值后下降，与休止化阶段一致。
• 在该模型中，黑洞质量与星系体质量的比值随时间增加，与大质量星系中的观测趋势相符。
• 该模型预测在AGN启动后存在一个恒星形成速率增强的短暂阶段，随后发生休止化，提供可检验的演化序列。
• 推导出恒星形成速率、黑洞吸积速率与外流速率之间随冷气体含量和时间变化的解析表达式。