[論文レビュー] Feedback reshapes the baryon distribution within haloes, in halo outskirts, and beyond: the closure radius from dwarfs to massive clusters

Mohammadreza Ayromlou, Dylan Nelson+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ハロー質量およびバリオン分率に依存するスケール、すなわちハローに付随するすべてのバリオンが存在する範囲である閉じる半径 $ R_{\rm c} $ を導入する。宇宙論的シミュレーション（TNG、EAGLE、SIMBA）を用いて、矮星系では紫外背景放射、団やグループでは星間のフィードバック、大質量クラスターではAGNフィードバックがバリオン分布を再設定し、中心から外縁部へ物質を押し出すことが示された。観測されたX線ハローに対しては $ R_{\rm c} \sim 1.5{-}2.5 R_{\rm 200c} $ となる。

ABSTRACT

We explore three sets of cosmological hydrodynamical simulations, IllustrisTNG, EAGLE, and SIMBA, to investigate the physical processes impacting the distribution of baryons in and around haloes across an unprecedented mass range of $10^8

研究の動機と目的

• ハローのバーリアル半径を越えて存在するバリオンがどこにあるかを解明し、欠落バリオン問題を解決すること。
• $ 10^8 $ から $ 10^{15} M_\odot $ のハロースケールにおいてバリオンを再配置する支配的物理過程を特定すること。
• すべてのハローに付随するバリオンを含む特徴的なスケール、すなわち閉じる半径 $ R_{\rm c} $ を定義すること。
• グループおよびクラスターにおいて、 $ R_{\rm c} $、ハローのバリオン分率、赤方偏移の間の普遍的関係を確立すること。
• X線およびSZデータとの比較を通じて、フィードバック物理学の観測的制約を可能にすること。

提案手法

• $ 10^8 < M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{15} $ をカバーする、TNG50、TNG100、TNG300、EAGLE、SIMBA の3つの宇宙論的流体ダイナミクスシミュレーションを用いた。
• TNGの変種において、星間フィードバック、AGNフィードバック、冷却、放射を個別に無効化することで、物理的メカニズムを分離した制御実験を実施した。
• 閉じる半径 $ R_{\rm c} $ を、半径方向のバリオン密度プロファイルから導出された、ハローに付随するすべてのバリオンを含む半径として定義した。
• シミュレーション出力に基づき、 $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} - 1 = \beta(z)(1 - f_{\rm b}(<R_{\rm 200c})/f_{\rm b,cosmic}) $ という普遍的関係をフィットした。ここで $ \beta(z) = \alpha(1+z)^\gamma $ である。
• ハローの性質（バリオン分率、ブラックホール質量、星形成活動）に依存する $ R_{\rm c} $ の依存性を分析した。
• 観測的インプリケーションを予測するため、観測されたX線およびSZのバリオン分率に $ R_{\rm c} $ 関係を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハロー中心部から欠落したバリオンはどこに存在し、どのような物理的過程がそれらを再配置しているか？
• RQ2 さまざまな質量のハローにおいて、バリオン再配置を支配する主なフィードバック機構は何か？
• RQ3 すべてのハローに付随するバリオンを含む、ハロー質量およびバリオン分率に依存する普遍的閉じる半径 $ R_{\rm c} $ を定義できるか？
• RQ4 閉じる半径 $ R_{\rm c} $ は、星形成活動やブラックホール質量といったハローの性質にどのように依存するか？
• RQ5 $ R_{\rm c} $ 関係を用いて、X線およびSZ調査における観測可能なバリオン分布を予測できるか？

主な発見

• 低質量ハロー（$ 10^8 \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{10} $）では、紫外背景放射がガス降着を阻止し、バリオンを大きな半径へと押しやる。
• 中間質量ハロー（$ 10^{10} \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{12} $）では、星間フィードバックがバリオン再配置を支配し、$ R_{\rm c} $ を増加させる。
• グループおよびクラスター（$ 10^{12} \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{14} $）では、AGNフィードバックがバリオン再配置の主因であり、特に停止した系で顕著である。
• グループおよびクラスターにおいて、閉じる半径は普遍的関係 $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} - 1 = \beta(z)(1 - f_{\rm b}(<R_{\rm 200c})/f_{\rm b,cosmic}) $ に従い、ここで $ \beta(z) = \alpha(1+z)^\gamma $ である。
• モデルは、観測されたX線ハローに付随するすべてのバリオンが $ R_{\rm c} \sim 1.5{-}2.5 R_{\rm 200c} $ の範囲内に閉じ込められていると予測する。
• ブラックホールが質量不足のハローでは $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} \lesssim 1 $ となり、これは排除的AGNフィードバックがグループにおけるバリオン分布を形作る上で鍵であることを示唆する。