[論文レビュー] On the connection between AGN radiative feedback and massive black hole spin

Francesco Bollati, Alessandro Lupi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、gizmoコードにスピンに依存する放射フィードバックモデルを導入し、ブラックホールスピンの進化、降着、非等方的超速風を自己自己整合的に追跡する。高いブラックホールスピンはより等方的なフィードバックをもたらし、特に高Eddington率の状況では、ガスの流入と星形成をより効果的に抑制する。これは、高赤方偏移や合体駆動銀河のような高降着環境において、スピンの非等方性が極めて重要であることを示している。

ABSTRACT

We present a novel implementation for active galactic nucleus (AGN) feedback through ultra-fast winds in the code gizmo. Our feedback recipe accounts for the angular dependence of radiative feedback upon black hole spin. We self-consistently evolve in time i) the gas accretion process from resolved scales to an unresolved AGN disc, ii) the evolution of the spin of the massive black hole (MBH), iii) the injection of AGN-driven winds into the resolved scales, and iv) the spin-induced anisotropy of the overall feedback process. We test our implementation by following the propagation of the wind-driven outflow into a homogeneous medium, and we compare the results against simple analytical models. Then, we consider an isolated galaxy setup and there we study the impact of the AGN feedback on the evolution of the MBH and the of the host galaxy. We find that: i) AGN feedback limits the gas inflow that powers the MBH, with a consequent weak impact on the host galaxy characterized by a star formation (SF) suppression of about a factor of two in the nuclear region; ii) the impact of AGN feedback on the host galaxy and on MBH growth is primarily determined by the AGN luminosity, rather than by its angular pattern set by the MBH spin; iii) the imprint of the angular pattern of the AGN radiation emission manifest in a more clear way at high accretion rates. At such high rates the more isotropic angular patterns, proper to higher spin values, sweep away gas in the nuclear region more easily, hence causing a slower MBH mass and spin growths and a higher quenching of the SF. We argue that the influence of spin-dependent anisotropy of AGN feedback on MBH and galaxy evolution is likely to be relevant in those scenarios characterized by high and prolonged MBH accretion episodes and by high AGN wind-galaxy coupling. Such conditions are more frequently met in galaxy mergers and/or high redshift galaxies.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションにおいて、ブラックホールスピンに依存するAGN放射フィードバックの方向依存性を考慮した自己自己整合的フィードバックモデルの開発を目的とする。
• AGN風のスピンに起因する非等方性が、ガスの流入、ブラックホール質量およびスピンの進化、そして宿主銀河の星形成抑制に与える影響を調査することを目的とする。
• 銀河およびブラックホールの共進化を制御する要因として、AGNの明るさとスピン駆動の方向パターンの相対的な重要性を評価することを目的とする。
• 特に高降着率下での状況において、スピンするガスハローを有する孤立銀河の設定において、フィードバックの非等方性の影響を評価することを目的とする。
• 銀河合体や高赤方偏移系のような、スピンに依存するフィードバックが支配的メカニズムとなる可能性のある天体物理学的状況を同定することを目的とする。

提案手法

• 一般相対性理論的効果（光の屈曲を含む）を介してブラックホールスピンと超速風の方向パターンを結合する新しいAGNフィードバックレシピをgizmoコードに実装した。
• 解像度の高いスケールから小スケールへのガス降着を自己自己整合的に進化させ、時間経過に伴うブラックホール質量およびスピンの進化を追跡した。
• 非等方的配向を持つ風を解像度の高いガスに注入し、開口角がブラックホールスピンおよびEddington比に依存するようにした。
• 放射-ガス結合を小スケールモデルで扱い、一定の運動量移動効率（τ = 1）を仮定した。すべての風の運動量は、解像度が不足するディスクスケールで発生すると仮定した。
• 均質的かつ孤立した銀河媒体への風の伝播をシミュレートし、解析モデルと比較することでフィードバック実装の妥当性を検証した。
• フィードバック効率を定量化するために、核領域における星形成の進化、ガスの枯渇、キャビティの消去を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールスピンは、AGN駆動風の方向パターンおよびフィードバック効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 スピンに起因する非等方性は、ガスの流入、ブラックホール質量およびスピンの成長、中心部の星形成抑制にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 銀河およびブラックホールの進化に及ぼすAGNフィードバックの影響は、主に明るさに起因するのか、それとも放射場の方向構造に起因するのか？
• RQ4 高赤方偏移や合体駆動系のような、スピンに依存するフィードバックが最も関連性のある天体物理学的環境はどのようなものか？
• RQ5 光の屈曲が高スピンブラックホールで等方性を増幅させる高Eddington降着率下で、フィードバック効率はどのように変化するか？

主な発見

• AGNフィードバックは、ブラックホールへのガス流入を制限することで、核領域（≤ kpc）における星形成を約2倍抑制する。
• 高いAGN明るさは、スピンにかかわらず、中心部の星形成をより効果的に抑制し、広範なキャビティの消去と、より大きな外流半開口角をもたらす。
• スピンに依存する方向的非等方性の痕跡は、特に高Eddington降着率下で顕著になる。この状況では、高いスピンがより等方的な放射をもたらし、より強力なフィードバックをもたらす。
• 高スピンブラックホールでは、光の屈曲により等方性が増加し、フィードバック効率が向上する。その結果、ガス流入が減少するため、ブラックホール質量およびスピンの成長が遅くなる。
• フィードバックの非等方性効果は、銀河合体や厚いディスクと持続的Eddington限界降着を示す高赤方偏移系のような、長期的かつ高降着状態の環境で特に重要である。
• モデルの簡略化にもかかわらず、シミュレーションはスピンに依存するフィードバックが極端な降着環境におけるブラックホール成長および銀河進化の制御に重要な役割を果たす可能性を示唆している。