[論文レビュー] Testing the Limits of AGN Feedback and the Onset of Thermal Instability in the Most Rapidly Star Forming Brightest Cluster Galaxies

Michael S. Calzadilla, M. McDonald+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 142被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、7つの最も星形成が活発な最も明るい銀河団銀河（BCG）における[O ii]線のハッブル宇宙望遠鏡の狭帯域画像を用い、極端な冷却コアにおけるAGNフィードバックの限界を調査した。星形成率（SFR）とICM冷却率（log(SFR) = 1.67 log(Ṁcool) − 3.25）の関係が1より大きい傾きであることが判明し、冷却率が高いほど星形成の効率が向上し、AGNフィードバックの効果が低下する傾向にあることが示された。一方、多相性ガスは冷却時間が0.5 Gyrに達する半径以内にしか延びていないことから、銀河団コアに普遍的な凝縮 timescale が存在する可能性が示唆された。

ABSTRACT

We present new, deep, narrow- and broad-band Hubble Space Telescope observations of seven of the most star-forming brightest cluster galaxies (BCGs). Continuum-subtracted [O II] maps reveal the detailed, complex structure of warm ($T \sim 10^4$ K) ionized gas filaments in these BCGs, allowing us to measure spatially-resolved star formation rates (SFRs) of ~60-600 Msun/yr. We compare the SFRs in these systems and others from the literature to their intracluster medium (ICM) cooling rates (dM/dt), measured from archival Chandra X-ray data, finding a best-fit relation of log(SFR) = (1.67+/-0.17) log(dM/dt) + (-3.25+/-0.38) with an intrinsic scatter of 0.39+/-0.09 dex. This steeper-than-unity slope implies an increasingly efficient conversion of hot ($T \sim 10^7$ K) gas into young stars with increasing dM/dt, or conversely a gradual decrease in the effectiveness of AGN feedback in the strongest cool cores. We also seek to understand the physical extent of these multiphase filaments that we observe in cluster cores. We show, for the first time, that the average extent of the multiphase gas is always smaller than the radii at which the cooling time reaches 1 Gyr, the tcool/tff profile flattens, and that X-ray cavities are observed. This implies a close connection between the multiphase filaments, the thermodynamics of the cooling core, and the dynamics of X-ray bubbles. Interestingly, we find a one-to-one correlation between the average extent of cool multiphase filaments and the radius at which the cooling time reaches 0.5 Gyr, which may be indicative of a universal condensation timescale in cluster cores.

研究の動機と目的

• 極めて高いICM冷却率を示す、最も星形成が活発な最も明るい銀河団銀河（BCG）におけるAGNフィードバックの限界を検証すること。
• 銀河団コアにおける多相イオン化ガスフィラメントの空間的広がりと形状を調査すること。
• ICMにおける熱不安定化の発生が、X線の空洞、冷却時間の閾値、またはtcool/tffプロファイルと相関するかどうかを検討すること。
• 高温ガスが星形成物質に冷却される効率と、AGNフィードバックの飽和状態に与える影響を評価すること。

提案手法

• 7つの極端なBCGの深紫外・可視域のハッブル宇宙望遠鏡（HST）観測を行い、[O ii] λλ3726,3729線の発光ネビュラをマッピングした。
• 連続スペクトルを差し引いた[O ii]マップを作成し、高い精度で空間的に分解された星形成率（SFR）を測定した。
• HSTデータとアーカイブのチャンドラX線望遠鏡データを統合し、X線表面輝度および温度プロファイルからICM冷却率（Ṁcool）を導出した。
• [O ii]およびHα線からの多相ガスの平均半径⟨R⟩を測定し、冷却時間（tcool）、tcool/tff比、X線空洞の半径といったICMの熱力学的指標と比較した。
• SFRとṀcoolのスケーリング関係を統計解析により特定し、固有の散乱および信頼区間を含めた。
• 多相ガスの平均的広がりを、冷却時間が0.5 Gyrに達する半径および1 Gyrに達する半径と比較し、X線空洞およびtcool/tffプロファイルの変化点と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端な冷却コアBCGにおいて、星形成率（SFR）はどのようにしてICM冷却率（Ṁcool）に依存するか？
• RQ2 多相ガスフィラメントの物理的広がりは、X線空洞や冷却時間の閾値といった、重要な熱力学的・力学的特徴とどのように関係するか？
• RQ3 ICMにおける熱不安定化の発生は、0.5 Gyrの冷却時間半径が示唆するように、普遍的な凝縮 timescale と相関するか？
• RQ4 冷却率が1000 M⊙ yr−1を超えるような系において、AGNフィードバックの効果はどの程度で、冷却率の増加に伴いその効果が低下するか？
• RQ5 イオン化ガスフィラメントの形状は、ICM内の乱流やX線空洞とどのように関係するか？

主な発見

• SFRとICM冷却率の間には、1より大きい傾きのスケーリング関係が確認された：log(SFR) = (1.67 ± 0.17) log(Ṁcool) + (−3.25 ± 0.38) で、固有の散乱は0.39 ± 0.09 dexであり、冷却率が高い冷却コアにおいて、高温ガスから星形成物質への変換効率が向上していることを示唆している。
• 多相ガスの平均半径⟨R⟩は、常に冷却時間が1 Gyrに達する半径よりも小さく、tcool/tffプロファイルが平坦化する半径、およびX線空洞が観測される半径よりも小さい。これは、これらの特徴が熱不安定性の境界を定めていることを示している。
• ⟨R⟩とICM冷却時間が0.5 Gyrに達する半径との間に強い1対1の相関が確認され、銀河団コアに普遍的な凝縮 timescale が存在する可能性が示唆された。
• 冷却率が高くなるにつれて星形成効率が向上する傾向にあることから、AGNフィードバックの効果が徐々に低下していることが示唆され、これはEddington限界付近で力学的フィードバックから放射的フィードバックモードに移行する可能性を示唆している。
• フィラメントの形状は多様で、一部のフィラメントはX線空洞の縁に沿って配置されており、浮力による上昇を示唆しているが、他のフィラメントはジェット軸に対して垂直に配置されており、ICM内の乱流の大きな影響を示している。
• サンプル内で最も極端なBCGは、SFRが約150 M⊙ yr−1に達しており、銀河団コアで知られる最も強力な星形成爆発の一つであり、クェーサーを伴っている可能性が支持されており、高い冷却率とクェーサー活動との関連を裏付けている。