[논문 리뷰] Feedback reshapes the baryon distribution within haloes, in halo outskirts, and beyond: the closure radius from dwarfs to massive clusters

Mohammadreza Ayromlou, Dylan Nelson외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 허브 질량 및 바리온 분율에 따라 달라지는, 허브에 연결된 모든 바리온이 존재하는 영역인 폐쇄 반경 $ R_{\rm c} $ 를 도입한다. 천체역학 시뮬레이션(TNG, EAGLE, SIMBA)을 사용하여, 저질량은 자외선 배경, 중간질량은 항성, 고질량은 AGN 피드백이 바리온 분포를 재설정하고 중심에서 외곽으로 물질을 밀어내는 것을 보여주며, 관측된 X선 허브의 경우 $ R_{\rm c} \sim 1.5{-}2.5 R_{\rm 200c} $ 라고 예측한다.

ABSTRACT

We explore three sets of cosmological hydrodynamical simulations, IllustrisTNG, EAGLE, and SIMBA, to investigate the physical processes impacting the distribution of baryons in and around haloes across an unprecedented mass range of $10^8

연구 동기 및 목표

• 허브의 비탈 반경을 초월하는 영역에서 바리온이 어디에 존재하는지 규명하여 누락된 바리온 문제를 해결한다.
• 10^8에서 10^{15} M_\odot 의 허브 스케일에서 바리온을 재분포시키는 주요 물리적 과정을 규명한다.
• 모든 허브 연관 바리온을 포함하는 특징적인 척도인 폐쇄 반경 $ R_{\rm c} $ 를 정의한다.
• 그룹과 클러스터에 대해 $ R_{\rm c} $, 허브 바리온 분율, 적색편이 간의 유일한 관계를 수립한다.
• X선 및 SZ 데이터와의 비교를 통해 관측적으로 피드백 물리학을 제약할 수 있도록 한다.

제안 방법

• TNG50, TNG100, TNG300, EAGLE, SIMBA 등 세 가지 천체역학적 시뮬레이션을 사용하여 $ 10^8 < M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{15} $ 의 범위를 커버한다.
• TNG 변형에서 항성 피드백, AGN 피드백, 냉각, 복사 등을 선택적으로 비활성화하여 제어된 피드백 실험을 수행하여 물리적 메커니즘을 분리한다.
• 폐쇄 반경 $ R_{\rm c} $ 는 반경 방향 바리온 밀도 프로파일에서 유도된, 허브와 연결된 모든 바리온을 봉쇄하는 반경으로 정의한다.
• 시뮬레이션 출력을 사용하여 유일한 관계 $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} - 1 = \beta(z)(1 - f_{\rm b}(<R_{\rm 200c})/f_{\rm b,cosmic}) $ 를 피팅하며, $ \beta(z) = \alpha(1+z)^\gamma $ 이다.
• 바리온 분율, 블랙홀 질량, 별 형성 활동과 같은 허브 특성에 따른 $ R_{\rm c} $ 의 의존도를 분석한다.
• 관측 가능한 결과를 도출하기 위해 관측된 X선 및 SZ 바리온 분율에 $ R_{\rm c} $ 관계를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허브 중심 영역에서 누락된 바리온은 어디에 위치해 있으며, 어떤 물리적 과정이 이를 재분포시키는가?
• RQ2 다양한 질량의 허브에서 바리온 재분포를 주도하는 주요 피드백 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 모든 허브 연관 바리온을 봉쇄하는, 허브 질량 및 바리온 분율에 따라 달라지는 유일한 폐쇄 반경 $ R_{\rm c} $ 를 정의할 수 있는가?
• RQ4 폐쇄 반경은 별 형성 활동 또는 블랙홀 질량과 같은 허브 특성에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 $ R_{\rm c} $ 관계를 사용하여 X선 및 SZ 설문에서 관측 가능한 바리온 분포를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 저질량 허브($ 10^8 \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{10} $)에서는 자외선 배경 복사가 가스 유입을 방지하여 바리온을 큰 반경으로 밀어낸다.
• 중간질량 허브($ 10^{10} \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{12} $)에서는 항성 피드백이 바리온 재분포를 주도하며 $ R_{\rm c} $ 를 증가시킨다.
• 그룹과 클러스터($ 10^{12} \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{14} $)에서는 AGN 피드백이 바리온 재분포의 주요 원동력이며, 특히 억제된 시스템에서 두드러진다.
• 그룹과 클러스터의 경우 폐쇄 반경은 유일한 관계 $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} - 1 = \beta(z)(1 - f_{\rm b}(<R_{\rm 200c})/f_{\rm b,cosmic}) $ 를 따르며, $ \beta(z) = \alpha(1+z)^\gamma $ 이다.
• 모델은 관측된 X선 허브에 연결된 모든 바리온이 $ R_{\rm c} \sim 1.5{-}2.5 R_{\rm 200c} $ 내에 포함되어 있음을 예측한다.
• 블랙홀 질량이 부족한 허브의 경우 $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} \lesssim 1 $ 이며, 이는 구배형 AGN 피드백이 그룹에서 바리온 분포를 형성하는 데 핵심적임을 시사한다.