[論文レビュー] Accretion onto disk galaxies via hot and rotating CGM inflows

Jonathan Stern, Drummond B. Fielding+6 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高温で回転する周銀河系媒体（CGM）の流入が、ゆっくりと冷却しながら内側へ渦巻くことで、ミルキーウェイのような円盤銀河における星形成を維持すると提案している。2次元流体力学的シミュレーションと解析的解を用いて、角運動量保存が流入を約15 kpcで円盤に平坦化させ、10⁶ Kから10⁴ Kへ一様に冷却するが、熱不安定性に依存せず、ガスが降着する前に約6ラジアンの回転を完了することが示された。この過程は、乱流や磁場に影響を与える。

ABSTRACT

Observed accretion rates onto the Milky-Way and other local spirals fall short of that required to sustain star formation for cosmological timescales. A potential avenue for this unseen accretion is an inflow in the volume-filling hot phase ($\sim10^6$ K) of the circumgalactic medium (CGM), as suggested by some cosmological simulations. Using hydrodynamic simulations and a new analytic solution valid in the slow-rotation limit, we show that a hot inflow spins up as it approaches the galaxy, while remaining hot, subsonic and quasi-spherical. At the radius of angular momentum support ($\approx15$ kpc for the Milky-Way) the hot flow flattens into a disk geometry and then cools from $\sim10^6$ K to $\sim10^4$ K at the disk-halo interface. Cooling affects all hot gas, rather than just a subset of individual gas clouds, implying that accretion via hot inflows does not rely on local thermal instability in contrast with 'precipitation' models for galaxy accretion. Prior to cooling and accretion the inflow completes $\sim t_{ m cool}/t_{ m ff}$ radians of rotation, where $t_{ m cool}/t_{ m ff}$ is the cooling time to free-fall time ratio in hot gas immediately outside the galaxy. The ratio $t_{ m cool}/t_{ m ff}$ may thus govern the development of turbulence and enhancement of magnetic fields in gas accreting onto low-redshift spirals. We argue that accretion via hot inflows can explain the observed truncation of nearby thin stellar disks at $\approx4$ disk radii. We also show that if rotating hot inflows are common in Milky-Way size disk galaxies, as predicted, then signatures should be observable with X-ray telescopes and FRB surveys.

研究の動機と目的

• 観測された降着率が必要な水準に満たないにもかかわらず、ミルキーウェイに類似した銀河における星形成を、高温で回転する周銀河系媒体（CGM）の流入がどのように持続可能かを理解すること。
• 球対称から円盤的幾何に移行する過程を捉えるために、回転する冷却高温流入の2次元軸対称解析的解を構築すること。
• 角運動量保存と放射冷却が、高温CGM流入の構造と力学にどのように寄与するかを特定すること。
• 予測された回転プロファイルと乱流の兆候が、X線および高速ラジオバースト（FRB）分散測定で観測可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 放射冷却と圧縮加熱を組み込んだ、ゆっくり回転する近似下での高温CGM流入の2次元軸対称解析的解を導出すること。
• GIZMOコードを用いた流体力学的シミュレーションにより、ミルキーウェイ質量のハローにおける流入をモデル化し、解析的解の妥当性を検証すること。
• 解を応用して回転プロファイルと角運動量の時間発展を推定し、O vii吸収線からの観測制約と比較すること。
• 高温CGMにおける冷却時間と自由落下時間の比（t_cool/t_ff）を用いて、冷却前の回転ラジアン数を計算すること。
• X線マイクロカロリメータとFRB分散測定を用いて、回転および非対称性の検出可能性を評価すること。
• モデルの予測を観測された星形成率（SFR）とハローのバリオン予算と比較し、必要となるCGM密度と範囲を制約すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 角運動量保存は、円盤銀河における高温CGM流入の幾何と運動にどのように寄与するか？
• RQ2 放射冷却は、高温CGMにおける球対称から円盤的流入構造への移行に果たす役割は何か？
• RQ3 t_cool/t_ff比は、降着ガスにおける回転進化と乱流発展の可能性にどのように影響するか？
• RQ4 予測された高温CGMの回転プロファイルは、現在または近い将来のX線およびFRB調査で検出可能か？
• RQ5 この流入モデルは、局所のスパイラル銀河における「欠落している降着」問題をどの程度解決できるか？

主な発見

• 高温流入は大半の半径で非可音的かつ準球対称のままであるが、約15 kpcで回転支持により円盤幾何に平坦化し、10⁴ Kに冷却が開始される。
• 冷却は局所的熱不安定性に依存せず、すべてのガスが一様に冷却されることを示し、この降着モードは熱不安定性に依存しない。
• ガスは冷却前に約t_cool/t_ff ≈ 6ラジアンの回転を完了しており、顕著な回転せん断と乱流、磁場増幅の可能性を示唆する。
• 予測された回転プロファイルv_φ ∝ r⁻¹は、非放射冷却シミュレーションよりも平坦であり、速度中心を100 km s⁻¹未満で解像可能なX線マイクロカロリメータで検出可能である可能性がある。
• 密度と温度の球対称性の破れは回転によって引き起こされ、X線表面輝度とFRB分散測定で観測可能である可能性がある。
• 観測されたSFRは、高温流入率が≤1–2 M☉ yr⁻¹に制限されることを示し、冷却率を低下させるためにハローのバリオン予算が約2r_virを超えて延びる必要がある。これは最近のtSZ観測と整合的である。