[論文レビュー] Predictions for the X-ray circumgalactic medium of edge-on discs and spheroids

Anna Nica, Benjamin D. Oppenheimer+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 85被引用数 7

ひとこと要約

eROSITAの模擬観測をEAGLE宇宙論的シミュレーションから得て、この研究では、縁側に配置された円盤銀河が、円盤面（半主軸）に沿って、極方向（半小軸）に沿ってより60–100%明るい軟X線の囲銀河媒体（CGM）を示すと予測している。これは、密度が高く、共回転する高温ガスによるものである。球状銀河は、より高いホールマスに起因して、高温でより広がったCGMを示すが、同じ星形成質量では全CGMの輝度は類似している。これらの方位角的および形態的依存性は、eROSITAの全天調査と、高傾斜角の円盤銀河の追跡観測によって検証可能である。

ABSTRACT

We investigate how the X-ray circumgalactic medium (CGM) of present-day galaxies depends on galaxy morphology and azimuthal angle using mock observations generated from the EAGLE cosmological hydrodynamic simulation. By creating mock stacks of {\it eROSITA}-observed galaxies oriented to be edge-on, we make several observationally-testable predictions for galaxies in the stellar mass range $M_\star=10^{10.7-11.2}\;$M$_{\odot}$. The soft X-ray CGM of disc galaxies is between 60 and 100\% brighter along the semi-major axis compared to the semi-minor axis, between 10-30 kpc. This azimuthal dependence is a consequence of the hot ($T>10^6$ K) CGM being non-spherical: specifically it is flattened along the minor axis such that denser and more luminous gas resides in the disc plane and co-rotates with the galaxy. Outflows enrich and heat the CGM preferentially perpendicular to the disc, but we do not find an observationally-detectable signature along the semi-minor axis. Spheroidal galaxies have hotter CGMs than disc galaxies related to spheroids residing at higher halos masses, which may be measurable through hardness ratios spanning the $0.2-1.5$ keV band. While spheroids appear to have brighter CGMs than discs for the selected fixed $M_\star$ bin, this owes to spheroids having higher stellar and halo masses within that $M_\star$ bin, and obscures the fact that both simulated populations have similar total CGM luminosities at the exact same $M_\star$. Discs have brighter emission inside 20 kpc and more steeply declining profiles with radius than spheroids. We predict that the {\it eROSITA} 4-year all-sky survey should detect many of the signatures we predict here, although targeted follow-up observations of highly inclined nearby discs after the survey may be necessary to observe some of our azimuthally-dependent predictions.

研究の動機と目的

• 縁側配置における銀河形態と方位角方向に応じたX線囲銀河媒体（CGM）の性質の依存性を調査すること。
• 円盤銀河の高温CGMが、非球対称で共回転するガス分布のため、方位角的依存性を示すかどうかを検証すること。
• 同じ星形成質量において、円盤銀河と球状銀河のX線CGMの輝度と温度を比較すること。
• eROSITAの全天調査と標的的追跡観測を用いて、これらの予測されたシグネチャの検出可能性を評価すること。
• 高解像度の宇宙論的シミュレーションに基づき、近い将来のX線調査に観測的に検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• EAGLE宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いたeROSITA観測のフォワードモデリング。
• 模擬銀河を縁側の向きに回転させ、縁側観測を模倣すること。
• 固定された星形成質量帯域（M★ = 10^10.7–11.2 M⊙）内に約100個の銀河をスタッキングして、模擬X線観測を合成すること。
• CGM（10–30 kpc）におけるX線表面輝度、温度、密度の方位角的プロファイルの分析。
• 運動的形態分類を用いて、円盤と球状CGMの性質を比較すること。
• 0.2–1.5 keVバンドの硬度比を用いて、形態ごとの温度差を調査すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縁側の円盤銀河のX線CGMは、表面輝度において方位角的依存性を示すか？ もし示すならば、どこで発光が最も強いのか？
• RQ2 円盤銀河におけるX線放射の観測された方位角的変動を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 同じ星形成質量において、球状銀河のCGMのX線性質は円盤銀河のそれとどのように異なるか？
• RQ4 CGMの温度と硬度は、円盤銀河と球状銀河の形態を区別するために使用できるか？
• RQ5 予測されたX線シグネチャは、eROSITAの4年間の全天調査と追跡観測によって検出可能か？

主な発見

• 縁側の円盤銀河は、15 kpcで、円盤面（半主軸）に沿って、極方向（半小軸）に沿ってより60–100%明るいX線CGMを示す。これは、密度が高く共回転する高温ガスによるものである。
• 円盤銀河における方位角的輝度増強は、円盤に垂直にガスを加熱するアウトフローによって駆動されるのではなく、円盤面に沿ってガス密度が高いことによるものである。
• 球状銀河は、より高いホールマスに位置するため、円盤銀河よりも高温でより広がったCGMを示すが、同じ星形成質量では全CGMの輝度は類似している。
• 0.2–1.5 keVバンドにおける硬度比を用いることで、円盤銀河と球状銀河のCGMの温度差は測定可能であるが、その効果は弱い。
• 円盤銀河は、全輝度が類似しているにもかかわらず、X線表面輝度プロファイルが急で、20 kpc以内の内側CGMが球状銀河よりも明るい。
• 円盤銀河における予測された方位角的依存性は、eROSITAの全天調査で検出可能であるが、信頼できる確認を得るためには、近距離の高傾斜角円盤銀河に対する標的的追跡観測が必要となる。