[论文解读] On the connection between AGN radiative feedback and massive black hole spin

Francesco Bollati, Alessandro Lupi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

本文在gizmo代码中引入了一种自洽的、与自旋相关的辐射反馈模型，可同时追踪黑洞自旋演化、吸积过程以及非各向同性的超快星风。研究发现，更高的黑洞自旋会导致反馈更加各向同性，从而更有效地抑制气体流入和恒星形成，尤其是在高爱丁顿率下。这表明在高红移或合并驱动的星系等高吸积环境中，自旋各向异性至关重要。

ABSTRACT

We present a novel implementation for active galactic nucleus (AGN) feedback through ultra-fast winds in the code gizmo. Our feedback recipe accounts for the angular dependence of radiative feedback upon black hole spin. We self-consistently evolve in time i) the gas accretion process from resolved scales to an unresolved AGN disc, ii) the evolution of the spin of the massive black hole (MBH), iii) the injection of AGN-driven winds into the resolved scales, and iv) the spin-induced anisotropy of the overall feedback process. We test our implementation by following the propagation of the wind-driven outflow into a homogeneous medium, and we compare the results against simple analytical models. Then, we consider an isolated galaxy setup and there we study the impact of the AGN feedback on the evolution of the MBH and the of the host galaxy. We find that: i) AGN feedback limits the gas inflow that powers the MBH, with a consequent weak impact on the host galaxy characterized by a star formation (SF) suppression of about a factor of two in the nuclear region; ii) the impact of AGN feedback on the host galaxy and on MBH growth is primarily determined by the AGN luminosity, rather than by its angular pattern set by the MBH spin; iii) the imprint of the angular pattern of the AGN radiation emission manifest in a more clear way at high accretion rates. At such high rates the more isotropic angular patterns, proper to higher spin values, sweep away gas in the nuclear region more easily, hence causing a slower MBH mass and spin growths and a higher quenching of the SF. We argue that the influence of spin-dependent anisotropy of AGN feedback on MBH and galaxy evolution is likely to be relevant in those scenarios characterized by high and prolonged MBH accretion episodes and by high AGN wind-galaxy coupling. Such conditions are more frequently met in galaxy mergers and/or high redshift galaxies.

研究动机与目标

• 在宇宙学模拟中开发一种自洽的反馈模型，考虑活动星系核辐射反馈的角向依赖性对黑洞自旋的影响。
• 研究由自旋引起的活动星系核星风各向异性如何影响气体流入、黑洞质量和自旋演化以及宿主星系中的恒星形成。
• 评估活动星系核光度与自旋驱动的角向结构在调控星系与黑洞共同演化中的相对重要性。
• 评估在具有旋转气态晕的孤立星系设置中，反馈各向异性的影响力，特别是在高吸积率条件下。
• 识别出如星系合并或高红移系统等天体物理环境，其中与自旋相关的反馈成为主导的调控机制。

提出的方法

• 在gizmo代码中实现了一种新的活动星系核反馈方案，通过广义相对论效应（包括光线弯曲）将黑洞自旋与超快星风的角向分布耦合。
• 自洽地演化了从解析尺度到亚网格尺度的气体吸积，追踪了黑洞质量与自旋随时间的演化。
• 将活动星系核驱动的星风以具有角向各向异性的分布注入解析气体中，其张角取决于黑洞自旋和爱丁顿比。
• 采用亚网格模型描述辐射-气体耦合，假设动量转移效率恒定（τ = 1），即所有星风动量均在未解析的盘面尺度上启动。
• 模拟星风在均匀且孤立的星系介质中的传播，与解析模型对比以验证反馈实现的正确性。
• 追踪了核区恒星形成、气体耗尽以及空腔清除的演化，以量化反馈效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞自旋如何影响活动星系核驱动星风的角向分布及其反馈效率？
• RQ2 由自旋引起的各向异性在多大程度上影响气体流入、黑洞质量和自旋增长，以及中心恒星形成的抑制？
• RQ3 活动星系核反馈对星系与黑洞演化的影响主要由光度决定，还是由辐射场的角向结构决定？
• RQ4 在哪些天体物理环境中（如高红移或合并驱动系统）与自旋相关的反馈最为关键？
• RQ5 在高爱丁顿吸积率下，反馈效率如何变化，此时光线弯曲会增强高自旋黑洞的各向同性？

主要发现

• 活动星系核反馈通过限制气体流入黑洞，使核区（≤ kpc）的恒星形成被抑制约两倍。
• 更高的活动星系核光度无论自旋如何，均能更有效地抑制中心恒星形成、扩大空腔清除范围，并增加外流的半开角。
• 自旋相关的角向各向异性的影响在高爱丁顿吸积率下最为显著，此时更高的自旋导致更各向同性的辐射发射，从而增强反馈效果。
• 对于高自旋黑洞，光线弯曲增强了各向同性，从而提高了反馈效率，并因气体流入减少而减缓了黑洞质量和自旋的增长。
• 反馈各向异性效应在持续高吸积的场景中最为关键，如星系合并或具有厚盘和持续爱丁顿限制吸积的高红移系统。
• 尽管模型存在简化假设，模拟结果表明，在极端吸积环境中，与自旋相关的反馈可能在调控黑洞增长与星系演化中发挥关键作用。