[논문 리뷰] The Fate of AGB Wind in Massive Galaxies and the ICM

Yuan Li, Greg L. Bryan외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 65인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 다량의 은하와 은하단 내 냉각되고-dusty 필라멘트가 뜨거운 ICM 내 열불안정성에서 기인하는 것이 아니라, 빠르게 움직이는 AGB 바람과 주변 뜨거운 기체 사이의 혼합층에서 유도된 냉각에서 기인한다고 제안한다. 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 국소 기포나 은하단 중심부와 같은 고압 환경에서, 바람-은하간매질 인터페이스에서의 복사 냉각이 긴 comets-like 꼬리 형태를 생성함을 보여주며, 이는 미라의 관측된 꼬리와 일치한다. 또한, AGB가 생성한 먼지 입자가 뜨거운 상에서의 스파터링으로부터 보호받기 때문에 필라멘트 내 먼지 존재를 설명한다.

ABSTRACT

Asymptotic Giant Branch (AGB) winds from evolved stars not only provide a non-trivial amount of mass and energy return, but also produce dust grains in massive elliptical galaxies. Due to the fast stellar velocity and the high ambient temperature, the wind is thought to form a comet-like tail, similar to Mira in the Local Bubble. Many massive elliptical galaxies and cluster central galaxies host extended dusty cold filaments. The fate of the cold dusty stellar wind and its relation to cold filaments are not well understood. In this work, we carry out both analytical and numerical studies of the interaction between an AGB wind and the surrounding hot gas. We find that the cooling time of the tail is inversely proportional to the ambient pressure. In the absence of cooling, or in low pressure environments (e.g., the outskirts of elliptical galaxies), AGB winds are quickly mixed into the hot gas, and all the AGB winds have similar appearance and head-to-tail ratio. In high pressure environments, such as the Local Bubble and the central regions of massive elliptical galaxies, some of the gas in the mixing layer between the stellar wind and the surrounding hot gas can cool efficiently and cause the tail to become longer. Our simulated tail of Mira itself has similar length and velocity to that observed, and appears similar to the simulated AGB tail in the central regions of massive galaxies. We speculate that instead of thermal instability, the induced condensation at the mixing layer of AGB winds may be the origin of cold filaments in massive galaxies and galaxy clusters. This naturally explains the existence of dust and PAH in the filaments.

연구 동기 및 목표

• 다량의 타원은하와 은하간매질(ICM) 내 AGB 바람의 운명을 이해하고, 특히 뜨거운 주변 기체와의 상호작용을 분석한다.
• 열불안정성 모델이 먼지 없는 필라멘트를 예측하는 데서 비롯되는, 뜨거운 먼지 스파터링 환경에서 냉각되고 먼지가 많은 필라멘트가 지속되는 역설을 해결한다.
• AGB 바람과 뜨거운 기체 사이의 혼합층에서의 복사 냉각이 긴 안정된 꼬리 형성에 기여하고 관측된 형태를 설명할 수 있는지 조사한다.
• ICM 내 열불안정성보다 AGB 바람 유도 응축이 냉각되고 먼지가 많은 필라멘트의 기원임을 시험한다.
• 3차원 유체역학 시뮬레이션을 통해 주변 압력과 냉각이 AGB 바람 꼬리 형성에 미치는 영향을 정량화한다.

제안 방법

• 국소 기포(Mira 유사), 타원은하 외곽, 다량의 타원은하 중심부와 같은 세 가지 환경에서 AGB 바람과 뜨거운 주변 기체 간의 상호작용을 3차원 유체역학 시뮬레이션으로 수행한다.
• 꼬리 형태와 생존성에 대한 냉각 효과를 분리하기 위해 등온 및 복사 냉각 시뮬레이션을 실시한다.
• 수치 시뮬레이션에는 Enzo 코드를, 데이터 분석 및 시각화에는 yt 도구를 사용한다.
• 혼합층의 냉각 시간 상수를 유도하기 위해 분석 모델을 적용하며, 이는 주변 압력에 반비례함을 보여준다.
• 초기 AGB 단계 동안 질량 손실률을 일정하게 가정하여 바람-은하간매질 상호작용 역학을 분리한다.
• Mira의 자외선 꼬리 및 HI 데이터와의 관측 결과와 시뮬레이션된 꼬리 길이, 속도, 주기성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주변 압력은 AGB 바람과 뜨거운 은하간매질 사이 혼합층의 냉각 시간 상수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 뜨거운 고온 환경에서 먼지가 빠르게 스파터링되는 데도 냉각되고 먼지가 많은 필라멘트가 지속되는가?
• RQ3 Mira의 코메트 유사 꼬리의 관측된 길이와 형태는 AGB 바람과 뜨거운 기체 상호작용에 의해 재현될 수 있는가?
• RQ4 바람-은하간매질 인터페이스에서의 복사 냉각이 장기간 지속되는 밀도 높은 꼬리 형성에 기여하는가?
• RQ5 다량의 은하 내 냉각 필라멘트의 기원은 ICM 내 열불안정성인지, 아니면 AGB 바람 혼합에 의한 유도 응축인가?

주요 결과

• 냉각이 없는 조건에서는 모든 환경에서 AGB 바람 꼬리의 머리-꼬리 비율이 일관되게 약 1/4이며, 이는 분석 예측을 확인한다.
• 저압 환경(예: 은하 외곽)에서는 냉각이 효과적이지 않으며, AGB 물질은 뜨거운 상태로 완전히 혼합되어 냉각된 꼬리가 남지 않는다.
• 국소 기반이나 은하단 중심부와 같은 고압 환경에서는 혼합층에서의 복사 냉각이 꼬리 길이를 크게 연장시키며, 등온 시뮬레이션 대비 길이가 2배 이상 증가한다.
• Mira의 시뮬레이션된 꼬리는 약 4 pc이며, 관측된 자외선 및 HI 데이터의 길이와 속도와 일치하며, 형성 시간은 약 200,000년이다.
• 시뮬레이션된 꼬리는 Mira 꼬리의 관측된 특성과 일치하는 주기성을 보이며, AGB 항성의 열 펄스와 관련이 있을 수 있다.
• 냉각된 필라멘트 내 먼지 존재는 혼합층에서 AGB가 생성한 입자가 뜨거운 상에서의 스파터링으로부터 보호받기 때문에 자연스럽게 설명된다.