[論文レビュー] A Parameter Space Exploration of High-resolution Numerically Evolved Early Type Galaxies Including AGN Feedback and Accurate Dynamical Treatment of Stellar Orbits

Luca Ciotti, Jeremiah P. Ostriker+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 60被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、AGNフィードバック、正確な星の軌道的力学、宇宙論的降着、グループ／クラスターダークマター準位を組み込んだMACER流体ダイナミクスコードを用いて、軸対称な初期型銀河（ETG）の高解像度パラメータ空間探索を実施した。回転し、扁平な銀河では、約kpcサイズの寒冷ガスディスクと金属豊富な星形成ディスク（約0.1 kpc）が発生し、古い星の質量の約10％に相当するホットガス質量と、それより2倍多い質量が銀河間媒体へ放出されることが判明した。この結果、実際のETGの主要なグローバル特性がうまく再現された。

ABSTRACT

An extensive exploration of the model parameter space of axisymmetric early type galaxies (ETGs) hosting a central supermassive black hole (SMBH) is conducted by means of high-resolution hydrodynamical simulations performed with our code MACER. Global properties such as (1) total SMBH accreted mass, (2) final X-ray luminosity and temperature of the X-ray emitting halos, (3) total amount of new stars formed from the cooling gas, and (4) total ejected mass in the form of supernovae and active galactic nuclei (AGN) feedback induced galactic winds, are obtained as a function of galaxy structure and internal dynamics. In addition to the galactic dark matter halo, the model galaxies are also embedded in a group/cluster dark matter halo; finally, cosmological accretion is also included, with the amount and time dependence derived from cosmological simulations. Angular momentum conservation leads to the formation of cold H i disks; these disks further evolve under the action of star formation induced by disk instabilities, of the associated mass discharge onto the central SMBH, and of the consequent AGN feedback. At the end of the simulations, the hot (metal-enriched) gas mass is roughly 10% the mass in the old stars, with twice as much having been ejected into the intergalactic medium. The cold gas disks are approximately kiloparsec in size, and the metal-rich new stars are in 0.1 kpc disks. The masses of cold gas and new stars are roughly 0.1% of the mass of the old stars. Overall, the final systems appear to reproduce quite successfully the main global properties of real ETGs.

研究の動機と目的

• 中心に超大質量ブラックホール（SMBH）を有する初期型銀河（ETG）の、現実的な物理的条件下におけるパラメータ空間の探索を目的とする。
• 銀河の構造と内部力学、特に回転と扁平性がAGNフィードバック、X線ハローの性質、星形成に与える影響を調査することを目的とする。
• 宇宙論的降着、グループ／クラスターダークマター準位、AGNフィードバックの相互作用が、ISMおよびSMBH成長に与える影響をモデル化することを目的とする。
• 銀河パラメータの関数として、SMBH降着質量、X線輝度、星形成、質量放出のグローバルな結果を特定することを目的とする。

提案手法

• SMBHの降着半径を解像できるよう、内境界を2.5 pcから20 pcまで変化させた高解像度2次元軸対称流体ダイナミクスシミュレーションをMACERコードを用いて実施した。
• SMBH成長と星の質量損失に起因する時間依存重力ポテンシャルを、ジャンス方程式の解析的解を用いて組み込んだ。
• 角運動量輸送とディスク不安定性をモデル化し、ガスの冷却、星形成、SMBH降着を駆動した。
• 局所的なISM状態に依存するフィードバック強度を持つ放射熱および力学的加熱を用いてAGNフィードバックを実装した。
• 宇宙論的シミュレーションから導かれた宇宙論的降着レートを含め、グループ／クラスターダークマター準位による封印をモデル化した。
• 星の速度分散とポテンシャルの進化を解析的解を用いてモデル化し、時間依存の質量損失とSMBH成長を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の成分の回転的支えと扁平性は、ETGにおけるSMBH降着とAGNフィードバック効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 さまざまな銀河の構造的・力学的パラメータの範囲において、X線輝度、温度、ホットガスおよびコールドガスの質量といったグローバル特性はどのように変化するか？
• RQ3 寒冷ガスディスクと新しい星形成は、回転するETGにおけるディスク不安定性によってどれほど生成され、AGN活動とどのように相関するか？
• RQ4 宇宙論的降着と封印するグループ／クラスターハローを組み込むことで、ISMおよびSMBH質量の最終状態はどのように変化するか？
• RQ5 ホットガス、コールドガス、放出ガスの質量予算の正味はどのように評価され、観測されたETGの特性と比較されるか？

主な発見

• 最終的な金属を豊富に含むホットガス質量は、古い星の質量のおおよそ10％であり、その2倍の質量が銀河間媒体へ放出された。
• 角運動量保存と回転するETGにおけるディスク不安定性によって駆動され、約1 kpcのサイズの寒冷ガスディスクが形成された。
• 新しい星は半径約0.1 kpcのコンパクトディスクで形成され、その質量は古い星の質量のおおよそ0.1％に相当した。
• X線ハローは、回転し扁平な銀河では、非回転で丸みを帯びた系よりも低い輝度と冷却温度を示し、観測結果と整合的であった。
• シミュレーションは、実際のETGの主なグローバル特性、SMBH降着質量、X線輝度、星形成率をうまく再現した。
• 星の速度分散と回転速度場の時間的変化は、質量損失とSMBH成長に起因する自己一貫性のあるモデル化がなされ、顕著な定常的変化が示された。