[논문 리뷰] The interplay between AGN feedback and precipitation of the intracluster medium in simulations of galaxy groups and clusters

Folkert S J Nobels, Joop Schaye외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 143인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 은하군과 은하단에서 가스 냉각을 조절하는 AGN 피드백과 강수량의 역할을 고해상도 유체역학 시뮬레이션을 통해 조사한다. 낮은 질량의 허브(10¹³ M⊙)에서는 AGN 피드백이 별 형성과 빠르게 억제되고, 냉각핵 시스템이 비냉각핵 시스템으로 전환되는 반면, 더 높은 질량의 은하단에서는 tcool/tdyn 비율과 엔트로피 변화에 의해 조절되는 주기적인 피드백 주기를 통해 별 형성과 블랙홀 질량 증가가 반복됨을 보여준다.

ABSTRACT

Using high-resolution hydrodynamical simulations of galaxy clusters, we study the interaction between the brightest cluster galaxy, its supermassive black hole (BH) and the intracluster medium (ICM). We create initial conditions for which the ICM is in hydrostatic equilibrium within the gravitational potential from the galaxy and an NFW dark matter halo. Two free parameters associated with the thermodynamic profiles determine the cluster gas fraction and the central temperature, where the latter can be used to create cool-core or non-cool-core systems. Our simulations include radiative cooling, star formation, BH accretion, and stellar and active galactic nucleus (AGN) feedback. Even though the energy of AGN feedback is injected thermally and isotropically, it leads to anisotropic outflows and buoyantly rising bubbles. We find that the BH accretion rate (BHAR) is highly variable and only correlates strongly with the star formation rate (SFR) and the ICM when it is averaged over more than $1~ m Myr$. We generally find good agreement with the theoretical precipitation framework. In $10^{13}~ m M_\odot$ haloes, AGN feedback quenches the central galaxy and converts cool-core systems into non-cool-core systems. In contrast, higher-mass, cool-core clusters evolve cyclically. Episodes of high BHAR raise the entropy of the ICM out to the radius where the ratio of the cooling time and the local dynamical time $t_{ m cool}/t_{ m dyn} > 10$, thus suppressing condensation and, after a delay, the BHAR. The corresponding reduction in AGN feedback allows the ICM to cool and become unstable to precipitation, thus initiating a new episode of high SFR and BHAR.

연구 동기 및 목표

• 은하군과 은하단에서 AGN 피드백과 가스 강수량 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 다른 질량의 허브에서 AGN 피드백이 별 형성과 블랙홀 질량 증가를 어떻게 조절하는지 조사하기 위해.
• 은하간 매질 내 냉각 흐름을 조절하는 데 있어 강수량 프레임워크의 타당성을 검증하기 위해.
• tcool/tdyn 비율과 엔트로피가 냉각된 가스의 응축을 유도하거나 억제하는 데 어떤 역할을 하는지 검토하기 위해.

제안 방법

• SWIFT 코드를 사용하여 질량 10¹³–10¹⁴ M⊙인 은하단의 시뮬레이션을 고공간 및 고질량 해상도로 수행함.
• 초기 조건은 NFW 어두운 물질 허브와 ICM 프로파일을 포함한 수렴 평형 상태로 설정되며, 두 개의 자유 매개변수(중심 온도 T₀ 및 가스 비율)로 정의됨.
• 서브스케일 모델에는 복사 냉각, 별 형성, BH 질량 증가, 열적 및 등방성 AGN 피드백이 포함됨.
• 피드백은 열적으로 등방성으로 주입되지만, 유체역학적 상호작용로 인해 비등방성 기포와 부력 기반 기포가 형성됨.
• 1 Myr 이상의 시간스케일에서 시간 평균 BHAR 및 SFR을 분석하여 ICM 특성과의 상관관계 평가함.
• 시간 이동 교차상관관계를 통해 SFR/BHAR와 tcool/tdyn 및 엔트로피와 같은 ICM 특성 간의 지연 시간 측정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 질량의 은하단에서 AGN 피드백은 냉각핵과 비냉각핵 시스템 간 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 tcool/tdyn 비율은 가스 응축과 피드백 주기를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 저질량 은하단(10¹³ M⊙)은 빠르게 비냉각핵 시스템으로 진화하는 반면, 고질량 은하단은 주기적인 행동을 보이는가?
• RQ4 등방성 열적 AGN 피드백은 비등방성 기포와 부력 기반 기포를 어떻게 유도하는가?
• RQ5 엔트로피와 tcool/tdyn 비율이 강수량과 피드백 발생을 얼마나 잘 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 10¹³ M⊙ 허브에서는 AGN 피드백이 별 형성을 빠르게 억제하고, 약 1 Gyr 내에 냉각핵 시스템이 비냉각핵 시스템으로 전환됨.
• 더 높은 질량의 은하단(10¹³.⁵–10¹⁴ M⊙)에서는 AGN 피드백이 주기적 행동을 유도함: 고BHAR 및 고SFR 기간이 이어지며, 피드백 영향을 받는 영역 외부의 냉각 시간에 의해 주기 주기가 결정됨.
• 고SFR 기간 전에 중심부에서 tcool/tdyn 비율이 10 이하로 떨어지며, 이는 낮은 tcool/tdyn 비율이 강수량과 이후 피드백을 유도함을 시사함.
• AGN 피드백은 tcool/tdyn ≈10가 되는 반경 내에서 ICM의 엔트로피를 상승시켜 추가 응축을 억제하고 다음 피드백 기간을 연기함.
• 고엔트로피 기포(K > 10² keV cm²)는 응축되기 위해 평형 반경보다 훨씬 더 큰 반경에 도달해야 하며, 이는 아마도 뜨거운 기포의 추월 또는 바람 효과 때문일 가능성 있음.
• 시뮬레이션은 가스 입자 질량에 대해 네 개의 주기 수준에서 수렴성을 보였지만, 중심 ICM–AGN 상호작용의 해상도가 부족하여 질량이 약 6×10⁶ M⊙ 이하일 경우 고질량 은하단에서 진동 행동이 붕괴됨.