[论文解读] Why do galaxies stop forming stars? I. The passive fraction - black hole mass relation for central galaxies

Asa F. L. Bluck, Sara L. Ellison+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 4

一句话总结

本研究基于SDSS中的40多万个中心星系，检验了超大质量黑洞质量是否驱动星系熄灭。通过利用核球质量与速度弥散度估算黑洞质量，研究发现黑洞质量与休止星系比例之间存在陡峭且紧密的相关性——其相关性强度超过恒星质量、晕质量或核球-总质量比——为活动星系核反馈是中心星系中主导熄灭机制提供了直接观测证据。

ABSTRACT

We derive the dependence of the fraction of passive central galaxies on the mass of their supermassive black holes for a sample of over 400,000 SDSS galaxies at z < 0.2. Our large sample contains galaxies in a wide range of environments, with stellar masses 8 < log(M*/Msun) < 12, spanning the entire morphological spectrum from pure disks to spheroids. We derive estimates for the black hole masses from measured central velocity dispersions and bulge masses, using a variety of published empirical relationships. We find a very strong dependence of the passive fraction on black hole mass, which is largely unaffected by the details of the black hole mass estimate. Moreover, the passive fraction relationship with black hole mass remains strong and tight even at fixed values of galaxy stellar mass (M*), dark matter halo mass (Mhalo), and bulge-to-total stellar mass ratio (B/T). Whereas, the passive fraction dependence on M*, Mhalo and B/T is weak at fixed MBH. These observations show that, for central galaxies, MBH is the strongest correlator with the passive fraction, consistent with quenching from AGN feedback.

研究动机与目标

• 检验黑洞质量是否在超越其他星系属性的前提下，是中心星系熄灭的主要驱动力。
• 确定活动星系核反馈是否是导致大质量星系中恒星形成停止的主导机制。
• 评估黑洞质量-休止星系比例关系在不同黑洞质量估算方法和星系类型中的稳健性。
• 比较黑洞质量、恒星质量、晕质量以及结构参数（如B/T）在预测休止星系比例方面的相对重要性。
• 评估所观测到的相关性是否暗示黑洞增长与熄灭之间存在因果关系，而非单纯巧合。

提出的方法

• 使用SDSS DR7中423,480个中心星系的光谱样本，其恒星质量范围为8 < log(M*/M☉) < 12，红移z < 0.2。
• 利用黑洞质量、核球恒星质量与中心速度弥散度之间的经验关系（如Hopkins等，2007年）估算黑洞质量。
• 通过黑洞质量、恒星质量、晕质量及B/T比值的分箱计算休止星系比例。
• 采用刀切重采样法计算休止星系比例估计值的1σ误差条，以实现稳健的统计推断。
• 按星系类型（早型与晚型）划分样本，以检验结果对形态及黑洞质量估算方法的敏感性。
• 采用丰度匹配法从总恒星质量推断暗物质晕质量，并在多个星系属性间进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞质量是否比恒星质量、晕质量或结构参数更优地预测中心星系的休止星系比例？
• RQ2 在控制其他星系属性（如B/T或晕质量）的情况下，休止星系比例-黑洞质量关系是否仍保持陡峭且紧密？
• RQ3 不同黑洞质量估算技术（仅速度弥散度 vs. 核球质量+速度弥散度）如何影响所观测到的相关性？
• RQ4 所观测到的相关性是否与活动星系核反馈是主导熄灭机制一致，还是其他过程可解释该趋势？
• RQ5 休止星系比例-黑洞质量关系的强度是否暗示黑洞增长与熄灭之间存在因果关系，且独立于星系形态或环境？

主要发现

• 休止星系比例随黑洞质量急剧上升，50%转变点位于M_BH ≈ 10^7.5 M☉处。
• 休止星系比例-黑洞质量关系比其他任何测试的相关性（包括恒星质量、晕质量或B/T）都更陡峭且更紧密。
• 即使在固定恒星质量、晕质量或B/T值的条件下，该关系依然强劲且紧密，表明黑洞质量是主导相关因子。
• 对于晚型星系，结合核球质量的黑洞质量估算至关重要，因为仅靠速度弥散度会导致来自盘旋转的污染。
• 在固定黑洞质量下，休止星系比例随恒星质量增加而呈负相关趋势，可能归因于B/T减小及盘主导。
• 结果强烈支持活动星系核反馈是中心星系中主导熄灭机制，且黑洞质量是预测星系休止状态的最根本单一指标。