[논문 리뷰] On the connection between AGN radiative feedback and massive black hole spin

Francesco Bollati, Alessandro Lupi외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 13.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 gizmo 코드에 블랙홀 스핀에 따라 달라지는 복사 피드백 모델을 도입하여 블랙홀 스핀 진화, 질량 증가, 이방성 초고속 풍속을 자성적으로 추적한다. 높은 블랙홀 스핀일수록 보다 등방성 피드백이 되어 가스 유입과 별 형성 억제 효과가 더 강해지며, 특히 에딩턴 비율이 높을 경우 더욱 두드러진다. 이는 고적색도 또는 병합 유도 은하와 같은 고질량 질량 증가 환경에서 스핀의 이방성이 핵심적임을 시사한다.

ABSTRACT

We present a novel implementation for active galactic nucleus (AGN) feedback through ultra-fast winds in the code gizmo. Our feedback recipe accounts for the angular dependence of radiative feedback upon black hole spin. We self-consistently evolve in time i) the gas accretion process from resolved scales to an unresolved AGN disc, ii) the evolution of the spin of the massive black hole (MBH), iii) the injection of AGN-driven winds into the resolved scales, and iv) the spin-induced anisotropy of the overall feedback process. We test our implementation by following the propagation of the wind-driven outflow into a homogeneous medium, and we compare the results against simple analytical models. Then, we consider an isolated galaxy setup and there we study the impact of the AGN feedback on the evolution of the MBH and the of the host galaxy. We find that: i) AGN feedback limits the gas inflow that powers the MBH, with a consequent weak impact on the host galaxy characterized by a star formation (SF) suppression of about a factor of two in the nuclear region; ii) the impact of AGN feedback on the host galaxy and on MBH growth is primarily determined by the AGN luminosity, rather than by its angular pattern set by the MBH spin; iii) the imprint of the angular pattern of the AGN radiation emission manifest in a more clear way at high accretion rates. At such high rates the more isotropic angular patterns, proper to higher spin values, sweep away gas in the nuclear region more easily, hence causing a slower MBH mass and spin growths and a higher quenching of the SF. We argue that the influence of spin-dependent anisotropy of AGN feedback on MBH and galaxy evolution is likely to be relevant in those scenarios characterized by high and prolonged MBH accretion episodes and by high AGN wind-galaxy coupling. Such conditions are more frequently met in galaxy mergers and/or high redshift galaxies.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션에서 블랙홀 스핀에 따른 AGN 복사 피드백의 각도 의존성을 고려한 자성적 피드백 모델을 개발한다.
• AGN 풍속의 스핀 유도 이방성이 은하 내부의 가스 유입, 블랙홀 질량 및 스핀 진화, 별 형성 억제에 미치는 영향을 연구한다.
• 은하와 블랙홀의 공진화를 규제하는 데 있어 AGN 빛의 세기와 스핀에 기인한 각도 패턴 중 어느 것이 더 중요한지 평가한다.
• 스핀하는 기체 환경을 가진 고립 은하 설정에서 피드백의 이방성 영향을 평가하며, 특히 고질량 증가 비율 조건에서 분석한다.
• 은하 병합 또는 고적색도 시스템과 같이 스핀 의존성 피드백이 주요 조절 메커니즘으로 작용할 수 있는 천체물리적 환경을 규명한다.

제안 방법

• 일반 상대성 이론 효과(빛 굴절 포함)를 통해 블랙홀 스핀을 초고속 풍속의 각도 분포에 연계한 새로운 AGN 피드백 레시피를 gizmo 코드에 구현하였다.
• 해상도가 높은 스케일에서부터 하위격자 스케일로의 가스 질량 증가를 자성적으로 추적하며, 블랙홀 질량 및 스핀 진화를 시간에 따라 추적하였다.
• 초고속 풍속을 해상도가 확보된 가스에 이방성 각도 분포로 주입하였으며, 개방각은 블랙홀 스핀과 에딩턴 비율에 따라 달라졌다.
• 일정한 동역학 전달 효율(τ = 1)을 가진 하위격자 모델을 사용하여 복사-가스 결합을 모델링하였으며, 모든 풍속 운동량은 해상도가 없는 디스크 스케일에서 발생한다고 가정하였다.
• 균일하고 고립된 은하 매체로의 풍속 전파를 시뮬레이션하였으며, 분석 모델과의 비교를 통해 피드백 구현의 타당성을 검증하였다.
• 핵 영역에서의 별 형성 변화, 가스 고갈, 캐비티 청소 정도를 추적하여 피드백 효율을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀 스핀은 AGN 유도 풍속의 각도 분포와 피드백 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스핀에 기인한 이방성이 가스 유입, 블랙홀 질량 및 스핀 성장, 중심 별 형성 억제에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 은하 및 블랙홀 진화에 대한 AGN 피드백의 영향이 주로 빛의 세기인지, 복사장의 각도 구조에 의해 결정되는가?
• RQ4 고적색도 또는 병합 유도 시스템과 같이 스핀 의존성 피드백이 가장 중요한 천체물리적 환경은 무엇인가?
• RQ5 빛 굴절으로 고스핀 블랙홀에서 등방성이 증가하는 고에딩턴 질량 증가 비율 조건에서 피드백 효율은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• AGN 피드백은 블랙홀로의 가스 유입을 제한함으로써 핵 영역(≤ kpc)에서 별 형성을 약 두 배 감소시킨다.
• 높은 AGN 빛의 세기는 스핀과 무관하게 중심 별 형성 억제 효과를 더 강하게 만들며, 더 넓은 캐비티 청소와 더 큰 외부 유출 반경을 초래한다.
• 스핀 의존성 각도 이방성의 영향은 고에딩턴 질량 증가 비율 조건에서 가장 두드러지며, 높은 스핀일수록 더 등방성 복사와 더 강력한 피드백을 유도한다.
• 고스핀 블랙홀의 경우 빛 굴절으로 인해 등방성이 증가하여 피드백 효율이 향상되고, 이로 인해 가스 유입 감소로 인해 블랙홀 질량 및 스핀 성장 속도가 느려진다.
• 피드백 이방성 효과는 은하 병합 또는 두꺼운 디스크와 지속적인 에딩턴 한계 질량 증가를 보이는 고적색도 시스템과 같이 장기간 고질량 증가가 지속되는 상황에서 가장 중요하다.
• 모델의 단순화에도 불구하고, 시뮬레이션 결과는 스핀 의존성 피드백이 극단적 질량 증가 환경에서 블랙홀 성장과 은하 진화를 조절하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.