[논문 리뷰] A Parameter Space Exploration of High-resolution Numerically Evolved Early Type Galaxies Including AGN Feedback and Accurate Dynamical Treatment of Stellar Orbits

Luca Ciotti, Jeremiah P. Ostriker외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 60인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 축대칭 조기형은하(ETG)의 고해상도 파rameter space 탐색을 수행하였으며, MACER 유체역학 코드를 사용하여 AGN 피드백, 정확한 항성 궤도 역학, 우주론적 응집, 군/은하단 어둠소재 허브를 포함한다. 이는 자전하는 평탄한 은하가 냉각 기체 디스크(~kpc 크기)와 금속 농축된 별 형성 디스크(~0.1 kpc)를 형성하며, 뜨거운 기체 질량은 오래된 별 질량의 약 10%이며, 이중의 질량이 간행간 매질로 쏟아져 나가며, 실제 ETG의 주요 전반적 성질을 성공적으로 재현한다.

ABSTRACT

An extensive exploration of the model parameter space of axisymmetric early type galaxies (ETGs) hosting a central supermassive black hole (SMBH) is conducted by means of high-resolution hydrodynamical simulations performed with our code MACER. Global properties such as (1) total SMBH accreted mass, (2) final X-ray luminosity and temperature of the X-ray emitting halos, (3) total amount of new stars formed from the cooling gas, and (4) total ejected mass in the form of supernovae and active galactic nuclei (AGN) feedback induced galactic winds, are obtained as a function of galaxy structure and internal dynamics. In addition to the galactic dark matter halo, the model galaxies are also embedded in a group/cluster dark matter halo; finally, cosmological accretion is also included, with the amount and time dependence derived from cosmological simulations. Angular momentum conservation leads to the formation of cold H i disks; these disks further evolve under the action of star formation induced by disk instabilities, of the associated mass discharge onto the central SMBH, and of the consequent AGN feedback. At the end of the simulations, the hot (metal-enriched) gas mass is roughly 10% the mass in the old stars, with twice as much having been ejected into the intergalactic medium. The cold gas disks are approximately kiloparsec in size, and the metal-rich new stars are in 0.1 kpc disks. The masses of cold gas and new stars are roughly 0.1% of the mass of the old stars. Overall, the final systems appear to reproduce quite successfully the main global properties of real ETGs.

연구 동기 및 목표

• 중앙 초거대흑색구멍(SMBH)이 있는 조기형은하(ETG)의 현실적인 물리 조건 하에서 파rameter space 탐색.
• 은하의 구조와 내부 역학, 특히 자전과 평탄함이 AGN 피드백, X선 하이라이트 성질, 별 형성에 미치는 영향 조사.
• 우주론적 응집, 군/은하단 어둠소재 허브, AGN 피드백 간의 상호작용이 ISM 및 SMBH 성장에 미치는 영향 모델링.
• 은하 파라미터의 함수로서 SMBH 응집 질량, X선 등화도, 별 형성, 질량 분출의 전반적 결과 도출.

제안 방법

• 내부 경계를 2.5 pc에서 20 pc로 설정하여 볼드니 반경을 해상화하는 MACER 코드를 사용한 고해상도 2차원 축대칭 유체역학 시뮬레이션.
• SMBH 성장과 항성 질량 손실에 의한 시간에 따라 변하는 중력 포텐셜을 제인 방정식의 해석적 해를 통해 통합.
• 각운동량 이동과 디스크 불안정성 모델링을 통해 기체 냉각, 별 형성, SMBH 응집 유도.
• 지역 ISM 조건에 따라 피드백 강도가 달라지는 복사 및 기계적 가열을 통한 AGN 피드백 구현.
• 우주론적 시뮬레이션에서 유도된 우주론적 응집률과 군/은하단 어둠소재 허브를 통한 봉인 효과 포함.
• 항성 속도 분산과 포텐셜 진화에 대한 해석적 해 사용, 시간에 따라 변하는 질량 손실과 SMBH 성장을 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하의 항성 성분의 자전 지지력과 평탄함은 ETG에서 SMBH 응집과 AGN 피드백 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 은하의 구조적 및 역학적 파라미터의 넓은 범위에서 X선 등화도, 온도, 뜨거운 기체 및 냉각 기체 질량 등의 전반적 성질은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 냉각 기체 디스크와 새로운 별 형성은 자전하는 ETG에서 디스크 불안정성에 의해 얼마나 형성되며, AGN 활동과 어떻게 상관관계를 가지는가?
• RQ4 우주론적 응집과 봉인성 군/은하단 허브를 포함할 경우, ISM과 SMBH 질량의 최종 상태는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 뜨거운, 냉각, 분출된 기체의 순 질량 예산은 어떻게 되며, 관측된 ETG 성질과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 최종적으로 금속 농축된 뜨거운 기체 질량은 오래된 항성 질량의 약 10%이며, 이중의 질량이 간행간 매질로 분출된다.
• 냉각 기체 디스크는 자전하는 ETG에서 각운동량 보존과 디스크 불안정성에 의해 형성되며, 크기는 약 1 kpc이다.
• 새로운 별들은 약 0.1 kpc 반경의 밀집 디스크에서 형성되며, 질량은 오래된 항성 질량의 약 0.1%이다.
• X선 하이라이트는 자전하고 평탄한 은하에서 비자전, 더 둥근 시스템보다 낮은 등화도와 더 낮은 온도를 나타내며, 관측 결과와 일치한다.
• 시뮬레이션은 SMBH 응집 질량, X선 등화도, 별 형성률을 포함한 실제 ETG의 주요 전반적 성질을 성공적으로 재현하였다.
• 항성 속도 분산과 자전 속도장의 시간적 진화는 질량 손실과 SMBH 성장으로 인한 상당한 점진적 변화를 보이며, 자발적으로 일관되게 모델링되었다.