[논문 리뷰] Cluster Heating by Viscous Dissipation of Waves

Mateusz Ruszkowski, M. Brüggen외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 10. 27.

Material Science and Thermodynamics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 은하단에서 간헐적인 AGN 활동에 의해 생성된 파동의 점성 소산이 복사 냉각을 상쇄할 만큼 충분한 가열을 제공함으로써 냉각 흐름의 준안정적 억제를 가능하게 한다고 보여준다. 점성 점도를 고려한 FLASH를 사용한 시뮬레이션은 충분히 빠른 냉각 timescale보다 빠르게 평형에 도달하는 공간적으로 분포된, 충격이 없는 가열을 보여주며, 간헐적인 AGN 활동이 효과적인 점성 가열을 위해 필수적임을 확인한다.

ABSTRACT

We simulate the effects of viscous dissipation of waves that are generated by AGN activity in clusters of galaxies. We demonstrate that the amount of viscous heating associated with the dissipation of these waves can offset radiative cooling rates in cooling flow clusters of galaxies. This heating mechanism leads to spatially distributed and approximately symmetrical dissipation. The heating waves reach a given distance from the cluster center on a timescale shorter than the cooling time. This means that this heating mechanism has the potential of quenching cooling flows in a quasi-stable fashion. Moreover, the heating is gentle as no strong shocks are present in the simulations. We first investigated whether a single continuous episode of AGN activity can lead to adequate dissipation to balance cooling rates. These simulations demonstrated that, whereas secondary waves generated by the interaction of the rising bubble with the intracluster medium are clearly present, viscous heating associated with the dissipation of these waves is insufficient to balance radiative cooling. It is only when the central source is intermittent that the viscous dissipation of waves associated with subsequent episodes of activity can offset cooling. This suggests that the ripples observed in the Perseus cluster can be interpreted as being due to the AGN duty cycle, i.e., they trace AGN activity history. The simulations were performed using the PPM adaptive mesh refinement code FLASH in two dimensions, including Spitzer (shear) viscosity but no bulk viscosity.

연구 동기 및 목표

• AGN 활동으로부터 생성된 파동의 점성 소산이 은하단의 복사 냉각을 균형 잡을 수 있는지 조사하기.
• AGN 작동 주기(-duty cycle)가 효과적인 점성 가열을 유지하는 데 미치는 역할을 규명하기.
• 파동에 의해 유도된 점성 가열이 강한 충격 없이 공간적으로 분포되고 안정적인 가열을 제공할 수 있는지 평가하기.
• 단일 대비 간헐적인 AGN 사건에서의 점성 가열 효율을 평가하기.
• 퍼스우스와 같은 은하단에서 관측된 리플을 AGN 작동 주기의 역사적 흔적으로 해석하기.

제안 방법

• 2차원에서 PPM 적응형 메쉬 리파인먼트 코드인 FLASH를 사용해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 유동 점성(스피츠러) 점성을 포함하여 내은하간 매질에서 파동의 점성 소산을 모델링하였다.
• 배경 점성은 제외하여 비산 점성의 영향만 분리하여 분석하였다.
• AGN 활동은 단일 연속적 사건 또는 간헐적인 폭발로 모의하였다.
• 냉각 속도와 비교하기 위해 시간에 따른 파동 전파 및 점성 가열을 추적하였다.
• 냉각 timescale에 비해 가열의 공간 분포 및 시간스케일을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN 활동으로 생성된 파동의 점성 소산이 은하단의 복사 냉각 속도를 균형 잡을 수 있는가?
• RQ2 간헐적인 AGN 활동이 단일 연속적 사건보다 더 효과적인 점성 가열을 유도하는가?
• RQ3 냉각 timescale에 비해 점성 가열이 얼마나 빨리 평형에 도달하는가?
• RQ4 점성 가열이 강한 충격 없이 공간적으로 분포되고 대칭적인 가열을 제공할 수 있는가?
• RQ5 퍼스우스와 같은 은하단에서 관측된 리플이 파동 소산을 통해 AGN 작동 주기를 반영하는가?

주요 결과

• 파동 소산에 의한 점성 가열은 냉각 흐름이 있는 은하단에서 복사 냉각 속도를 상쇄할 수 있다.
• 단일 연속적 AGN 사건은 파동 생성과 소산이 부족하여 충분한 점성 가열을 제공하지 못한다.
• 간헐적인 AGN 활동은 다수의 사건에서 누적된 파동 소산을 통해 효과적인 점성 가열을 가능하게 한다.
• 어느 특정 반경의 가열은 냉각 timescale보다 짧은 시간 내에 도달하여 빠른 안정화를 가능하게 한다.
• 가열 메커니즘은 부드럽고, 시뮬레이션에서 강한 충격이 관측되지 않는다.
• 퍼스우스 은하단에서 관측된 리플은 간헐적인 활동에 의한 파동 소산과 일치하므로, AGN 작동 주기의 흔적일 수 있다.