[논문 리뷰] The Obsidian model: Three regimes of black hole feedback

Douglas Rennehan, Arif Babul외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 149인용 수 8

한 줄 요약

논문은 세 가지 축적 체계(ADAF, 얇은 디스크/퀘사-유사, 슬림 디스크)에 걸친 자전(spin) 및 축적률 의존 방사 효율 모형과 이에 연계된 제트/바람 피드백을 개발하고, Simba 우주론 시뮬레이션에 구현하며, 은하 및 헬로 규모의 관측 가능성을 재현할 수 있음을 보인다.

ABSTRACT

In theoretical models of galaxy evolution, black hole feedback is a necessary ingredient in order to explain the observed exponential decline in number density of massive galaxies. Most contemporary black hole feedback models in cosmological simulations rely on a constant radiative efficiency (usually $η\sim 0.1$) at all black hole accretion rates. We present the Obsidian sub-grid model, a synthesis model for the spin-dependent radiative efficiencies of three physical accretion rate regimes, i.e. $η= η(j, \dot{M}_\mathrm{acc})$, for use in large-volume cosmological simulations. The three regimes include: an advection dominated accretion flow ($\dot{M}_\mathrm{acc} < 0.03\,\dot{M}_\mathrm{Edd}$), a quasar-like mode ($0.03 < \dot{M}_\mathrm{acc} / \dot{M}_\mathrm{Edd} < 0.3$), and a slim disc mode ($\dot{M}_\mathrm{acc} > 0.3\,\dot{M}_\mathrm{Edd}$). Additionally, we include a large-scale powerful jet at low accretion rates. The black hole feedback model we present is a kinetic model that prescribes mass loadings but could be used in thermal models directly using the radiative efficiency. We implement the Obsidian model into the Simba galaxy evolution model to determine if it is possible to reproduce galaxy populations successfully, and provide a first calibration for further study. Using a $2 imes1024^3$ particle cosmological simulation in a $(150\,\mathrm{cMpc})^3$ volume, we found that the model is successful in reproducing the galaxy stellar mass function, black hole mass-stellar mass relationship, and stellar mass-halo mass relationship. Moving forward, this model opens new avenues for exploration of the impact of black hole feedback on galactic environments.

연구 동기 및 목표

• SMBH의 자전(spin)과 축적률이 은하 형성에서 방사형 및 운동적 피드백에 어떤 영향을 미치는지动力화하고 정량화한다.
• 작은 규모의 축적 물리학을 큰 규모의 은하 진화와 연결하는 물리적으로 동기화된 서브그리드 흑홀 피드백 모델을 제공한다.
• Simba 시뮬레이션 프레임워크에 모델을 통합하고, 관측된 은하, BH–MG, 및 헤일로 관계에 대해 매개변수를 보정한다.

제안 방법

• 세 가지 축적-상태(ADAF, 퀘사-유사 얇은 디스크, 슬림 디스크)를 R_upper=0.3 및 R_lower=0.03의 경계 임계값으로 정의하고 축적률 비율 R=Mdot_BH/M_Edd에 따라 상태 전이를 실제 축적률의 순간적 함수로 계산한다.
• 각 체제에 대해 회전(자전) 의존 방사 효율 eta(j, Mdot_BH)을 채택하고, 슬림 디스크 바람의 운동량 로딩 및 질량 로딩(psi_slim)을 eta, 바람 속도, 결합 매개변수에 연결한다.
• 역치별로 규정된 결합 계수 epsilon_f 및 제트 질량 로딩 psi_jet으로 규제되는 체제별 동역학적 피드백(바람 및 제트)을 모델링하고, 상태 간 eta의 연속성을 보장한다.
• 큰 규모 유입, 바람 유출, 방사/제트 손실을 결합하는 질량균형 방정식을 풀어 실제 BH 축적률을 도출하며, 슬림-디스크 체제에서 R에 대한 3차 방정식, ADAF 체제에서 2차 방정식을 포함한다.
• GIZMO 코드 기반 Simba 프레임워크에 시딩, 대규모 축적(Bondi 플러스 차가운 가스 유입) 및 제트/바람 피드백 구현, 이어서 6개의 다양한 매개변수로 25 cMpc/h 박스에서 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SMBH의 자전과 축적률이 서로 다른 축적 체계에서 방사 및 운동 피드백을 어떻게 함께 결정하는가?
• RQ2 물리적으로 동기화된 스핀 의존 피드백 모델이 대용량 시뮬레이션에서 관측된 은하 질량 함수, BH–은하 스케일링 관계, 그룹과 클러스터의 바이어턴 분율을 재현할 수 있는가?
• RQ3 저축합에서의 제트/바람 운동 성분을 포함하는 것이 은하 진화와 헬로 가스 함량에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 ADAF–퀘사-얇은 디스크–슬림-디스크 상태 간 전이가 BH 성장과 호스트 은하 특성에 시간에 따라 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 150 cMpc)^3 부피 시뮬레이션에서 은하 질량 함수, 흑홀-은하 질량 관계, 및 질량-헤일로 질량 관계를 재현한다.
• 은하 그룹 및 저질량 클러스터까지 잘 외삽되며, 해당 시스템에서 관측된 바야본 분율을 예측한다.
• 상태별 방사 및 운동 출력으로 SMBH 피드백과 헬로 가스 함량 간의 결합을 포착함으로써 그룹/클러스터 체제에서 특히 강점이 있다.
• eta의 자전 의존성은 고자 흑홀에서 피드백에 이용 가능한 에너지를 증가시키고, 성장 및 억제 효율에 체계적으로 영향을 준다.
• 질량 로딩 및 바람/제트 매개변수(phi, v_wind, epsilon_f)은 특히 슬림-디스크 체제에서 BH 성장과 피드백 강도를 크게 제어한다.