[論文レビュー] Effects of multi-channel AGN feedback in FIRE cosmological simulations of massive galaxies

Lindsey Byrne, Claude‐André Faucher‐Giguère+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、質量10¹²–10¹³ M☉の巨大銀河に放射・力学的・宇宙線の3つのチャネルを有するAGN降下を適用した、FIRE-3宇宙論的ズームインシミュレーションを初めて実施した。この降下が星形成を効果的に抑制し、観測された主なスケーリング関係（例：M*–Mhalo、M_BH–σ）を再現し、サイズ-質量関係やFaber-Jackson関係を含む現実的な構造的性質を生成することを示した。一方、AGN降下を含まないシミュレーションは星を過剰に生成し、観測結果と一致しない。

ABSTRACT

Feedback from supermassive black holes is believed to be a critical driver of the observed color bimodality of galaxies above the Milky Way mass scale. AGN feedback has been modeled in many galaxy formation simulations, but most implementations have involved simplified prescriptions or a coarse-grained interstellar medium (ISM). We present the first set of FIRE-3 cosmological zoom-in simulations with AGN feedback evolved to $z\sim0$, examining the impact of AGN feedback on a set of galaxies with halos in the mass range $10^{12}-10^{13} M_{\odot}$. These simulations combine detailed stellar and ISM physics with multi-channel AGN feedback including radiative feedback, mechanical outflows, and in some simulations, cosmic rays (CRs). We find that massive (>L*) galaxies in these simulations can match local scaling relations including the stellar mass-halo mass relation and the $M_{ m BH}$-$σ$ relation; in the stronger model with CRs, they also match the size-mass relation and the Faber-Jackson relation. Many of the massive galaxies in the simulations with AGN feedback have quenched star formation and elliptical morphologies, in qualitative agreement with observations. In contrast, simulations at the massive end without AGN feedback produce galaxies that are too massive and form stars too rapidly, are order-of-magnitude too compact, and have velocity dispersions well above Faber-Jackson. Despite these successes, the AGN models analyzed do not produce uniformly realistic galaxies when the feedback parameters are held constant: while the stronger model produces the most realistic massive galaxies, it tends to over-quench the lower-mass galaxies. This indicates that further refinements of the AGN modeling are needed.

研究の動機と目的

• 高解像度の宇宙論的シミュレーションにおける多チャネルAGN降下が、局所宇宙で観測された巨大銀河の停止を再現できるかどうかを調査すること。
• 放射・力学的・宇宙線降下チャネルを含めることで、M*–Mhalo や M_BH–σ といった観測されたスケーリング関係との一致が改善されるかどうかを検証すること。
• AGN降下が半質量半径・速度分散・中心表面密度を含む現実的な銀河構造的性質を生成できるかどうかを評価すること。
• 異なる降下モデル（例：BHのみ vs. BH+宇宙線）が銀河進化および停止効率に与える影響を比較すること。
• 質量不変の降下パラメータ化が、高解像度であるにもかかわらず、巨大銀河集団全体における差別の的停止を再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• スターリング・ガス質量分解能 ≤ 100 M☉ の高解像度で、適応メッシュ細分化と粒子基盤流体力学を用いたFIRE-3コードによる宇宙論的ズームインシミュレーションを実施。
• AGN降下を3チャネルで実装：放射加熱、力学的噴流、宇宙線輸送および拡散を、ブラックホール降下と自己整合的に結合。
• ブラックホール降下率とEddington比に依存するスミグリーモデルを用い、観測されたAGNの明るさに一致するように降下効率を調整。
• z ≈ 0 までシミュレーションを進めて、観測結果（星形成質量、ハロー質量、速度分散、サイズ-質量関係など）と最終的な銀河性質を比較。
• 星形成歴、軌道の円形度、および構造的パラメータ（例：半質量半径、中心表面密度）を分析し、停止および形態の現実性を評価。
• モデル間比較：NoBH（ブラックホールなし）、BH（力学的＋放射）、BH+CR（宇宙線を含む）の各モデルを比較し、各降下チャネルの寄与を特定。

Figure 1: Edge-on mock Hubble images for two example Milky Way-mass simulated galaxies (top two rows) and two example m13 massive galaxies (bottom two rows) at $z\sim 0$ . For each set of initial conditions, we compare a model with no BHs or CRs (left) to a model with BHs but no CRs (middle) and to

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FIRE-3シミュレーションにおける多チャネルAGN降下は、局所宇宙で観測された巨大銀河の停止を再現できるか？
• RQ2 AGN降下に宇宙線を含めることで、M*–Mhalo や M_BH–σ といった観測されたスケーリング関係との一致がどの程度向上するか？
• RQ3 異なるAGN降下モデル（BHのみ vs. BH+宇宙線）は、サイズ・速度分散・中心表面密度を含む巨大銀河の構造的性質にどのような影響を与えるか？
• RQ4 高解像度であるにもかかわらず、AGN降下を含まないシミュレーションがなぜ観測された巨大銀河性質を再現できないのか？
• RQ5 質量不変の降下パラメータ化は、10¹²–10¹³ M☉ の全ハロー質量範囲で現実的な停止を再現できるか、それとも質量依存の降下効率が必要か？

主な発見

• AGN降下を含むシミュレーションは、観測と一致する停止状態で楕円型に近い銀河を生成し、星形成を効果的に抑制した。一方、AGN降下なしのシミュレーションは過剰に質量を蓄積した星形成銀河を生成した。
• AGN降下を含む銀河は、観測された星形成質量-ハロー質量関係を再現し、星形成質量が観測値の約2–3倍の範囲内に収まった。AGN降下なしのシミュレーションでは、星形成質量が観測値の3–5倍に過剰に予測された。
• AGN降下により、星形成速度分散が観測されたFaber-Jackson関係の範囲内に収まり、降下なしのシミュレーションでは速度分散が10倍以上高くなりすぎた。
• AGN降下は銀河の半質量半径を増大させ、中心表面密度を低下させ、観測されたサイズ-質量関係に一致させた。降下なしのシミュレーションでは、銀河が過剰にコンパクトで高密度であった。
• BH+宇宙線降下モデルは、BHのみのモデルに比べて、遅い時期の星形成率が低く抑えられ、宇宙線が停止効率を向上させることを示した。
• 主要なスケーリング関係の再現に成功したが、パrameterを一定に保ったまま全質量範囲で一貫して現実的な銀河を生成できなかったため、質量依存の降下パラメータ化の必要性が示唆された。

Figure 2: Stellar mass-halo mass (SMHM) relation (left) and $M_{\rm BH}-\sigma$ relation (right) for $z\sim 0$ . We compare the NoBH (black, unfilled), BH (green), and BH+CR (purple) models. Left panel: The SMHM relation from (Behroozi et al., 2019 ) and its intrinsic scatter. Right panel: The obser