[논문 리뷰] Predictions for the X-ray circumgalactic medium of edge-on discs and spheroids

Anna Nica, Benjamin D. Oppenheimer외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 85인용 수 7

한 줄 요약

eROSITA 시뮬레이션 관측 결과를 바탕으로 한 EAGLE 천체역학 시뮬레이션을 사용하여, 이면 방향으로 기울인 디스크 은하에서는 디스크 평면(반장축 방향)에서 반지름 15 kpc에서 부드러운 X선 은하간 매질(CGM)이 반지름 방향(극축 방향)보다 60–100% 더 밝아지며, 이는 더욱 농축되고 공전하는 뜨거운 기체 때문이라고 예측한다. 탑형 은하의 경우 더 높은 허브 질량로 인해 더 뜨겁고 더 넓게 퍼진 CGM를 보이며, 고정된 항성 질량에서 총 CGM 휘도는 유사하다. 이러한 방위각 및 형태학적 의존성은 eROSITA의 全천문 조사와 고도로 기울인 디스크의 후속 관측을 통해 검증 가능하다.

ABSTRACT

We investigate how the X-ray circumgalactic medium (CGM) of present-day galaxies depends on galaxy morphology and azimuthal angle using mock observations generated from the EAGLE cosmological hydrodynamic simulation. By creating mock stacks of {\it eROSITA}-observed galaxies oriented to be edge-on, we make several observationally-testable predictions for galaxies in the stellar mass range $M_\star=10^{10.7-11.2}\;$M$_{\odot}$. The soft X-ray CGM of disc galaxies is between 60 and 100\% brighter along the semi-major axis compared to the semi-minor axis, between 10-30 kpc. This azimuthal dependence is a consequence of the hot ($T>10^6$ K) CGM being non-spherical: specifically it is flattened along the minor axis such that denser and more luminous gas resides in the disc plane and co-rotates with the galaxy. Outflows enrich and heat the CGM preferentially perpendicular to the disc, but we do not find an observationally-detectable signature along the semi-minor axis. Spheroidal galaxies have hotter CGMs than disc galaxies related to spheroids residing at higher halos masses, which may be measurable through hardness ratios spanning the $0.2-1.5$ keV band. While spheroids appear to have brighter CGMs than discs for the selected fixed $M_\star$ bin, this owes to spheroids having higher stellar and halo masses within that $M_\star$ bin, and obscures the fact that both simulated populations have similar total CGM luminosities at the exact same $M_\star$. Discs have brighter emission inside 20 kpc and more steeply declining profiles with radius than spheroids. We predict that the {\it eROSITA} 4-year all-sky survey should detect many of the signatures we predict here, although targeted follow-up observations of highly inclined nearby discs after the survey may be necessary to observe some of our azimuthally-dependent predictions.

연구 동기 및 목표

• 이면 방향 구성에서 은하 형태학과 방위각에 따라 X선 은하간 매질(CGM) 성질이 어떻게 달라지는지 조사하기.
• 디스크 은하의 뜨거운 CGM가 비구형이고 공전하는 기체 분포로 인해 방위각 의존성이 나타나는지 테스트하기.
• 고정된 항성 질량에서 디스크 은하와 탑형 은하의 X선 CGM 휘도와 온도를 비교하기.
• eROSITA 全천문 조사와 대상 중심 후속 관측을 통해 이러한 예측된 서명이 검출 가능한지 평가하기.
• 고해상도 천체역학 시뮬레이션 기반으로 향후 X선 조사에 관해 관측 가능하게 검증 가능한 예측 제공하기.

제안 방법

• EAGLE 천체역학 유체역학 시뮬레이션을 사용해 eROSITA 관측 결과를 정방향 모델링하기.
• 모의 관측을 시뮬레이션된 은하를 이면 방향으로 기울여 이면 관측을 모의하기.
• 고정된 항성 질량 밴드(M★ = 10^10.7–11.2 M⊙) 내 약 100개의 은하에 대해 모의 X선 관측 결과를 스택하기.
• CGM(10–30 kpc)에서 X선 표면 밝기, 온도, 밀도의 방위각 프로파일 분석하기.
• 운동학적 형태학 분류를 사용해 디스크와 탑형 CGM 성질 비교하기.
• 형태학 간 온도 차이를 탐지하기 위해 경도 비율(0.2–1.5 keV 밴드) 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이면 디스크 은하의 X선 CGM는 표면 밝기에 방위각 의존성이 나타나는가? 만약 그렇다면, 가장 밝은 방향은 어디인가?
• RQ2 디스크 은하에서 관측된 X선 방출의 방위각 변화를 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 같은 항성 질량에서 탑형 은하의 X선 CGM 성질은 디스크 은하와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 CGM의 온도와 경도는 디스크와 탑형 형태를 구분하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 예측된 X선 서명은 eROSITA의 4년간 全천문 조사와 후속 관측을 통해 검출 가능한가?

주요 결과

• 이면 디스크 은하에서는 반지름 15 kpc에서 디스크 평면(반장축 방향)의 X선 CGM가 반지름 방향(극축 방향)보다 60–100% 더 밝으며, 이는 더욱 농축되고 공전하는 뜨거운 기체 때문이므로 발생한다.
• 디스크에서의 방위각 밝기 향상은 디스크에 수직으로 가열하는 외부 기체 유출로 인한 것이 아니라, 디스크 평면에 더 높은 기체 밀도가 존재하기 때문이므로 발생한다.
• 탑형 은하는 더 높은 허브 질량에 기반해 더 뜨겁고 더 넓게 퍼진 CGM를 보이며, 고정된 항성 질량에서 총 CGM 휘도는 유사하다.
• 디스크와 탑형 CGM 간의 온도 차이는 0.2–1.5 keV 밴드에서의 경도 비율을 통해 측정 가능할 수 있으나, 효과는 미약하다.
• 디스크 은하는 유사한 총 휘도에도 불구하고, 내부 CGM(20 kpc 이내)가 더 밝고 X선 표면 밝기 프로파일이 더 급격히 기울어져 있다.
• 디스크 은하에서의 예측된 방위각 의존성은 eROSITA의 全천문 조사로 검출 가능하지만, 강력한 확인을 위해서는 고도로 기울인 근접 디스크에 대한 대상 중심 후속 관측이 필요할 수 있다.