Synchronized Coevolution between Supermassive Black Holes and Galaxies over the Last Seven Billion Years as Revealed by Hyper Suprime-Cam

<jats:title>Abstract</jats:title> <jats:p>We measure the evolution of the <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}\mbox{--}{{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn1.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> relation using 584 uniformly selected Sloan Digital Sky Survey quasars at 0.2 < <jats:italic>z</jats:italic> < 0.8. The black hole masses (<jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn2.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula>) are derived from the single-epoch virial mass estimator using the H<jats:italic>β</jats:italic> emission line and span the range <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA $7.0\lt \mathrm{log}\,{{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}/{M}_{\odot }\lt 9.5$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>7.0</mml:mn> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mi>log</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em" /> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>9.5</mml:mn> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn3.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula>. The host-galaxy stellar masses (<jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn4.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula>), which cover the interval <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA $10.0\lt \mathrm{log}\,{{ \mathcal M }}_{\star }/{M}_{\odot }\lt 11.5$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>10.0</mml:mn> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mi>log</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em" /> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>11.5</mml:mn> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn5.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula>, are determined by performing two-dimensional quasar-host decomposition of the Hyper Suprime-Cam images and spectral energy distribution fitting. To quantify sample selection biases and measurement uncertainties on the mass terms, a mock quasar sample is constructed to jointly constrain the redshift evolution of the <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}\mbox{--}{{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn6.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> relation and its intrinsic scatter (<jats:italic>σ</jats:italic> <jats:sub> <jats:italic>μ</jats:italic> </jats:sub>) through forward modeling. We find that the level of evolution is degenerate with <jats:italic>σ</jats:italic> <jats:sub> <jats:italic>μ</jats:italic> </jats:sub>, such that both a positive mild evolution (i.e., <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}/{{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn7.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> increases with redshift) with a small <jats:italic>σ</jats:italic> <jats:sub> <jats:italic>μ</jats:italic> </jats:sub> and a negative mild evolution with a larger <jats:italic>σ</jats:italic> <jats:sub> <jats:italic>μ</jats:italic> </jats:sub> are consistent with our data. The posterior distribution of <jats:italic>σ</jats:italic> <jats:sub> <jats:italic>μ</jats:italic> </jats:sub> enables us to put a strong constraint on the intrinsic scatter of the <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}\mbox{--}{{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn8.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> relation, which has a best inference of <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${0.25}_{-0.04}^{+0.03}$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0.25</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.04</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.03</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn9.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> dex, consistent with the local value. The redshift evolution of the <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}\mbox{--}{{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn10.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> relation relative to the local relation is constrained to be <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${\left(1+z\right)}^{{0.12}_{-0.27}^{+0.28}}$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mfenced close=")" open="("> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>z</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0.12</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.27</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.28</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn11.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula>, in agreement with no significant evolution since <jats:italic>z</jats:italic> ∼ 0.8. The tight and unevolving <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}\mbox{--}{{ \mathcal M }}_{\star }$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn12.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> relation is suggestive of a coupling through active galactic nuclei feedback or/and a common gas supply at work, thus restricting the mass ratio of galaxies and their black holes to a limited range. Given the considerable stellar disk component, the <jats:inline-formula> <jats:tex-math> <?CDATA ${{ \mathcal M }}_{\mathrm{BH}}\mbox{--}{{ \mathcal M }}_{\mathrm{bulge}}$?> </jats:tex-math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>BH</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>–</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic"></mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>bulge</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> <jats:inline-graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="apjac2301ieqn13.gif" xlink:type="simple" /> </jats:inline-formula> relation may evolve as previously seen at higher redshifts.</jats:p>