[論文レビュー] The Obsidian model: Three regimes of black hole feedback

Douglas Rennehan, Arif Babul+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 149被引用数 8

ひとこと要約

要約: 論文はスピンと降着率依存の放射効率モデルを3つの降着 regime（ADAF、薄いディスク/クエーサー様、スリムディスク）で展開し、それに伴うジェット/ウィンドバックを実装してSimba宇宙論シミュレーションで再現性を示す。大規模構造観測とハロー規模観測を再現可能であることを示す。

ABSTRACT

In theoretical models of galaxy evolution, black hole feedback is a necessary ingredient in order to explain the observed exponential decline in number density of massive galaxies. Most contemporary black hole feedback models in cosmological simulations rely on a constant radiative efficiency (usually $η\sim 0.1$) at all black hole accretion rates. We present the Obsidian sub-grid model, a synthesis model for the spin-dependent radiative efficiencies of three physical accretion rate regimes, i.e. $η= η(j, \dot{M}_\mathrm{acc})$, for use in large-volume cosmological simulations. The three regimes include: an advection dominated accretion flow ($\dot{M}_\mathrm{acc} < 0.03\,\dot{M}_\mathrm{Edd}$), a quasar-like mode ($0.03 < \dot{M}_\mathrm{acc} / \dot{M}_\mathrm{Edd} < 0.3$), and a slim disc mode ($\dot{M}_\mathrm{acc} > 0.3\,\dot{M}_\mathrm{Edd}$). Additionally, we include a large-scale powerful jet at low accretion rates. The black hole feedback model we present is a kinetic model that prescribes mass loadings but could be used in thermal models directly using the radiative efficiency. We implement the Obsidian model into the Simba galaxy evolution model to determine if it is possible to reproduce galaxy populations successfully, and provide a first calibration for further study. Using a $2 imes1024^3$ particle cosmological simulation in a $(150\,\mathrm{cMpc})^3$ volume, we found that the model is successful in reproducing the galaxy stellar mass function, black hole mass-stellar mass relationship, and stellar mass-halo mass relationship. Moving forward, this model opens new avenues for exploration of the impact of black hole feedback on galactic environments.

研究の動機と目的

• SMBHのスピンと降着率が放射的および運動的フィードバックに与える影響を、銀河形成の文脈で動機づけて定量化する。
• 小規模な降着物理と大規模な銀河進化を結ぶ物理的に動機づけられたサブグリッドブラックホールフィードバックモデルを提供する。
• Simbaシミュレーション枠にモデルを統合し、観測された銀河、BH–MG、ハロー関係に対してパラメータを較正する。

提案手法

• R_upper=0.3およびR_lower=0.03の境界閾値を用い、降着率比R=Mdot_BH/M_Eddに基づく3つの降着 regime（ADAF、クエーサー様薄ディスク、スリムディスク）を定義し、真の降着率の瞬時関数として状態遷移を計算する。
• 各 regime ごとにスピン依存の放射効率eta(j, Mdot_BH)を採用し、スリムディスク風風で運動量負荷と質量負荷（psi_slim）をeta、風速、結合パラメータに結びつける。
• regimeごとに結合因子epsilon_fと風ジェットの質量負荷psi_jetを用いて運動的フィードバックを風とジェットでモデル化し、状態間でetaの連続性を確保する。
• 大規模な流入、風の流出、放射/ジェット損失を結合する質量収支方程式を解くことにより真のBH降着率を導出し、スリムディスク regimeではRの3次方程式、ADAF regimeでは2次方程式となる。
• Simbaフレームワーク（GIZMOコード）にモデルを実装し、シード、大規模降着（Bondiと冷ガス流入）、ジェット/風フィードバックを組み込み、6つの異なるパラメータで25 cMpc/hボックスで較正を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMBHのスピンと降着率は、異なる降着 regime で放射的および運動的フィードバックを共同でどのように決定するか。
• RQ2 物理的に動機づけられたスピン依存のフィードバックモデルは、観測された銀河の星形成質量関数、BH–銀河スケーリング、グループおよびクラスターの重さの分布を大規模ボリュームシミュレーションで再現できるか。
• RQ3 低降着率での風/ジェット運動成分の導入が銀河の進化とハローガス含有量へ与える影響はどうか。
• RQ4 ADAF、クエーサー様、スリムディスク間の遷移は、宇宙時間を通じてBH成長と宿主銀河の性質にどのような影響を与えるか。

主な発見

• モデルは150 cMpc)^3体積のシミュレーションで銀河の星形成質量関数、ブラックホール-星質量関係、星質量–ハロー質量関係を再現する。
• 銀河群および低質量クラスターへも外挿が良好で、これらの系における観測されたバリオン分率を予測する。
• グループ/クラスター領域で、SMBHフィードバックとハローガス含有量の結合を regime-dependentな放射的・運動的出力を通じて捉え、特に重要性を発揮する。
• etaのスピン依存性は高スピンのSMBHに対してフィードバックに利用するエネルギーを増大させ、成長と抑制効率を regime 間で影響する。
• 質量負荷と風/ジェットパラメータ（phi, v_wind, epsilon_f）は、特にスリムディスク regime でBH成長とフィードバック強度を決定づけるのに重要である。