[논문 리뷰] Modelling the expulsion of baryons from haloes from first principles: the role of feedback and of the cosmological constant

Oscar Veenema, Daniele Sorini외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 haloes의 폐쇄 반경에 대한 기본 원리 분석 모델을 개발하여 baryon fraction의 우주적 값으로의 복귀를 예측하고 Lambda 값이 다양한 코스모로지를 포함하는 EAGLE 시뮬레이션과 검증한다.

ABSTRACT

The extent to which galactic-scale astrophysical processes conspire with the underlying cosmological model to expel baryons from haloes remains a central question in galaxy formation. We present an analytical model for the gas distribution within and beyond haloes, based on the balance between gravitational collapse, hydrostatic pressure, and cosmic expansion. Our model predicts, from first principles, the halo-centric distance enclosing a baryon mass fraction equal to the cosmic value $f_{ m b} = Ω_{ m b}/Ω_{ m m}$ (`closure radius') in an arbitrary $Λ$CDM cosmology. We compare the predictions with the results of six variants of the EAGLE cosmological, hydrodynamical simulation, encompassing values of the cosmological constant ranging from 0 to 100 times its observed value in our Universe, $Λ_0$. Despite its simplicity, our model exhibits excellent agreement with the simulations for haloes with mass $M_{ m 200c} > 10^{11} M_\odot$ in the redshift range $0

연구 동기 및 목표

• LCDM 프레임워크 내에서 피드백과 코스모로지에 의해 haloes에서 baryons가 어떻게 배출되는지 이해를 촉진한다.
• hydrostatic balance, gravity, and cosmic expansion를 연결하여 haloes 주위의 가스 분포에 대한 기본 원리 analytical 모델을 개발한다.
• 닫힘 반경과 halo 특성 사이의 물리적으로 동기화된 관계를 도출한다.
• 다양한 cosmologies에서 robustness를 테스트하기 위해 EAGLE 시뮬레이션과 비교한다.

제안 방법

• 구대칭 가정과 가스 압력, 중력, Lambda에 의한 반발의 균형으로 rho(r)에 대한 지배 방정식을 도출한다.
• P(r) = w_n rho(r)^{n+1}인 다항 가스 상태 방정식을 채택하고 결과 ODE를 극한 영역에서 풀이한다.
• 먼 영역(rho << rho_crit)에서 rho(r) ~ r^{-eta}의 멱 법칙 밀도 프로파일을 도출하고 eta를 다항식 지수 n과 연관지어 관계화한다.
• 적분된 바리언 질량을 f_b-cosmic M_200과 해석적 적분으로 연결하여 반경 R_closure를 도출한다. (analytic integral dependent on halo mass, gas fraction, and cosmology.)
• R_closure를 M_200, R_200, f_b-cosmic, f_b-halo, 및 가스 열역학 매개변수의 함수로 표현하여 실용적인 식(Eq. 21)을 얻는다.
• 열역학 상수 w_n를 virial 온도 및 가스 비율 등 halo 특성에 연결하여 시스템을 닫는다(Eq. 20).

Figure 1: Plot of equation ( 2 ) showing the evolution of cosmological redshift over elapsed cosmic time, highlighting differences in time evolution among universes with varying dark energy. Five cosmologies are shown, including an Einstein-de Sitter universe (EdS) with zero dark energy, a universe

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LCDM 코스모로지에서 halo 질량과 적색편이에 따른 closure radius의 의존성은?
• RQ2 varying cosmological constant가 haloes에서 baryon evacuation에 미치는 영향은?
• RQ3 first-principles analytical model이 시뮬레이션에서 보이는 empirical closure radius–halo mass 관계를 재현할 수 있는가?
• RQ4 cosmologies 간 피드백 및 가스 물리로 인한 변화에도 예측된 closure radius의 강인성은?

주요 결과

• 모델은 R_200보다 큰 closure radius를 예측하며, 우주론과 halo 특성 간의 연계된 baryon depletion을 나타낸다(Eq. 21).
• closure radius는 더 높은 dark energy(Lambda)와 더 낮은 가스 분율에서 증가하며, baryon evacuation 기대와 일치한다.
• 도출된 해석적 프레임워크는 0<z<3 에 걸쳐 M_200 > 1e11 Msun에 대해 Lambda가 0에서 100 Lambda_0까지 확장되는 6개의 EAGLE-유사 시뮬레이션과 훌륭한 일치를 보인다.
• Dark energy는 무시할 수 없는 역할을 한다: z<2에서 fiducial Lambda_0 코스모에서의 closure radius는 Einstein-de Sitter 우주보다 약 30% 더 크다.
• Lambda >= 10 Lambda_0인 경우 dark energy가 baryon evacuation에서 지배적 요인이 되어 우주가 Lambda-지배에 근접함에 따라 그 중요성이 증가함을 시사한다.
• 모델은 경험적 closure radius–halo mass 관계를 일반화하며, 적절한 한계에서 Ayromlou et al. (2023) 형태로 축소되고 더 넓은 매개변수 범위로 확장된다.

Figure 2: Analytical linear-theory growing-mode evolution for universes with different dark energy contents, showing how the growth of initial matter-density perturbations varies. Dotted lines mark the epoch of matter-dark energy equality in each model universe. In cosmologies with $\Lambda>0$ , the