[논문 리뷰] Testing the Limits of AGN Feedback and the Onset of Thermal Instability in the Most Rapidly Star Forming Brightest Cluster Galaxies

Michael S. Calzadilla, M. McDonald외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 142인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 극한의 냉각핵을 가진 일곱 개인 가장 활발하게 별이 형성되는 빛나는 은하군 중심은하(BCG)의 [O ii] 복사선을 허블 우주望遠경을 사용해 좁은 대역 영상으로 분석하여 극한의 냉각핵에서 AGN 피드백의 한계를 탐구한다. 연구 결과, 별 형성률(SFR)과 ICM 냉각률(Ṁcool) 사이의 관계가 1보다 더 급격한 것으로 나타났으며, log(SFR) = 1.67 log(Ṁcool) − 3.25의 관계를 보이며, 더 높은 냉각률일수록 별 형성 효율이 증가하고 AGN 피드백 효과가 감소함을 시사한다. 또한 다상태 기체는 냉각 시간이 0.5 Gyr에 도달하는 반경 이내에서만 연장되며, 이는 보편적인 응축 시간 스케일을 시사한다.

ABSTRACT

We present new, deep, narrow- and broad-band Hubble Space Telescope observations of seven of the most star-forming brightest cluster galaxies (BCGs). Continuum-subtracted [O II] maps reveal the detailed, complex structure of warm ($T \sim 10^4$ K) ionized gas filaments in these BCGs, allowing us to measure spatially-resolved star formation rates (SFRs) of ~60-600 Msun/yr. We compare the SFRs in these systems and others from the literature to their intracluster medium (ICM) cooling rates (dM/dt), measured from archival Chandra X-ray data, finding a best-fit relation of log(SFR) = (1.67+/-0.17) log(dM/dt) + (-3.25+/-0.38) with an intrinsic scatter of 0.39+/-0.09 dex. This steeper-than-unity slope implies an increasingly efficient conversion of hot ($T \sim 10^7$ K) gas into young stars with increasing dM/dt, or conversely a gradual decrease in the effectiveness of AGN feedback in the strongest cool cores. We also seek to understand the physical extent of these multiphase filaments that we observe in cluster cores. We show, for the first time, that the average extent of the multiphase gas is always smaller than the radii at which the cooling time reaches 1 Gyr, the tcool/tff profile flattens, and that X-ray cavities are observed. This implies a close connection between the multiphase filaments, the thermodynamics of the cooling core, and the dynamics of X-ray bubbles. Interestingly, we find a one-to-one correlation between the average extent of cool multiphase filaments and the radius at which the cooling time reaches 0.5 Gyr, which may be indicative of a universal condensation timescale in cluster cores.

연구 동기 및 목표

• 극한의 ICM 냉각률을 가진 가장 빠르게 별이 형성되는 빛나는 은하군 중심은하(BCG)에서 AGN 피드백의 한계를 테스트하기 위해.
• 은하단 중심부에서 다상태 이온화 기체 필라의 공간적 확장과 형태를 조사하기 위해.
• ICM 내 열적 불안정성의 시작이 X선 공극, 냉각 시간 임계값, 또는 tcool/tff 프로파일과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 매우 뜨거운 기체가 별 형성 물질로 냉각되는 효율성과 AGN 피드백 포화의 잠재적 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 일곱 개의 극한 BCG에 대해 깊은 좁은 대역 및 넓은 대역 허블 우주망원경(HST) 관측을 수행하여 [O ii] λλ3726,3729 복사선 방출 성운을 맵핑하기 위해.
• 연속 스펙트럼를 제거한 [O ii] 맵을 제작하여 고정밀도로 공간적으로 해상도를 높인 별 형성률(SFR)을 측정하기 위해.
• HST 데이터를 암시적 창시아 X선 데이터와 융합하여 X선 표면 밝기 및 온도 프로파일에서 ICM 냉각률(Ṁcool)을 유도하기 위해.
• [O ii] 및 Hα 복사선에서 다상태 기체의 평균 반경 ⟨R⟩을 측정하여 냉각 시간(tcool), tcool/tff 비율, X선 공극 반경과 같은 ICM 열역학적 지표와 비교하기 위해.
• SFR와 Ṁcool 사이의 스케일링 관계를 결정하기 위한 통계적 분석을 수행하였으며, 내재 산란과 신뢰구간을 포함하였다.
• 다상태 기체의 평균 확장 범위를 냉각 시간이 0.5 Gyr에 도달하는 반경과 1 Gyr에 도달하는 반경, 그리고 X선 공극 위치 및 tcool/tff 프로파일의 변화점과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한의 냉각핵 BCG에서 별 형성률(SFR)은 어떻게 내부은하매질(ICM) 냉각률(Ṁcool)과 스케일링되는가?
• RQ2 다상태 기체 필라의 물리적 확장 범위는 X선 공극과 냉각 시간 임계값과 같은 주요 열역학적 및 운동학적 특징에 비해 어떻게 되는가?
• RQ3 ICM 내 열적 불안정성의 시작은 0.5 Gyr 냉각 시간 반경에서 제안된 보편적인 응축 시간 스케일과 관련이 있는가?
• RQ4 냉각률이 1000 M⊙ yr−1를 초과하는 시스템에서 AGN 피드백의 효과는 어느 정도이며, 냉각률 증가에 따라 그 효과가 감소하는가?
• RQ5 이온화 기체 필라의 형태는 X선 공극과 ICM 난류와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• SFR과 ICM 냉각률 사이에 1보다 급격한 스케일링 관계가 발견되었으며, log(SFR) = (1.67 ± 0.17) log(Ṁcool) + (−3.25 ± 0.38)로 표현되며, 내재 산란은 0.39 ± 0.09 dex이므로, 더 강한 냉각핵에서 더 효율적인 기체에서 별 형성으로의 전환이 일어남을 시사한다.
• 다상태 기체의 평균 반경 ⟨R⟩은 항상 냉각 시간이 1 Gyr에 도달하는 반경보다 작으며, tcool/tff 프로파일이 평탄해지는 지점과 X선 공극이 관측되는 곳보다 작다. 이는 이러한 특징들이 열적 불안정성의 경계를 정의함을 시사한다.
• ⟨R⟩와 ICM 냉각 시간이 0.5 Gyr에 도달하는 반경 사이에 강한 일대일 상관관계가 발견되어, 은하단 중심부에서 보편적인 응축 시간 스케일이 존재함을 시사한다.
• 더 높은 냉각률일수록 별 형성 효율이 증가함을 시사하며, 이는 AGN 피드백 효과가 감소함을 의미하며, Eddington 한계 근처에서 운동 에너지 피드백 모드에서 복사 피드백 모드로의 전환 가능성과 관련이 있을 수 있다.
• 필라 형태는 다양하게 나타나며, 일부는 X선 공극 가장자리와 일치하여 부력이 있는气체 방울에 의해 올라간 것으로 보이며, 다른 일부는 제트 축에 수직으로 배열되어 있어 ICM 난류의 영향을 크게 받고 있음을 시사한다.
• 표본 내 가장 극단적인 BCG는 약 150 M⊙ yr−1의 SFR을 가지며, 은하단 중심부에서 관측된 가장 강력한 성운 중 하나이며, 퀘이사를 포함하고 있음이 일치함을 보여, 높은 냉각률과 퀘이사 활동 사이의 연관성을 지지한다.