[论文解读] Radiative AGN feedback on a moving mesh: the impact of the galactic disc and dust physics on outflow properties

David Barnes, Rahul Kannan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本研究使用Arepo-RT代码进行辐射-流体动力学模拟，探究在移动网格上辐射AGN反馈对星系盘和尘埃物理的影响。结果表明，星系盘星系中现实的尘埃生成可使光学深度提高两个数量级，从而实现辐射对气体动量的有效耦合，驱动具有观测特征的外流；然而，热溅射引起的尘埃破坏会迅速削弱这些效应。

ABSTRACT

Feedback from accreting supermassive black holes, active galactic nuclei (AGN), is now a cornerstone of galaxy formation models. In this work, we present radiation-hydrodynamic simulations of radiative AGN feedback using the novel Arepo-RT. A central black hole emits radiation at a constant luminosity and drives an outflow via radiation pressure on dust grains. Utilising an isolated NFW halo we validate our setup in the single and multi-scattering regimes, with the simulated shock front propagation in excellent agreement with the expected analytic result. For a spherically symmetric NFW halo, an examination of the simulated outflow properties generated by radiative feedback demonstrates that they are lower than typically observed at a fixed AGN luminosity, regardless of the collimation of the radiation. We then explore the impact of a central disc galaxy and the assumed dust model on the outflow properties. The contraction of the halo during the galaxy's formation and modelling the production of dust grains results in a factor $100$ increase in the halo's optical depth. Radiation is then able to couple momentum more efficiently to the gas, driving a stronger shock and producing a mass-loaded $\\sim10^{3}\\,\\mathrm{M}_{\\odot}\\,\\mathrm{yr}^{-1}$ outflow with a velocity of $\\sim2000\\,\\mathrm{km}\\,\\mathrm{s}^{-1}$, in agreement with observations. However, the inclusion of dust destruction mechanisms, like thermal sputtering, leads to the rapid destruction of dust grains within the outflow, reducing its properties below typically observed values. We conclude that radiative AGN feedback can drive outflows, but a thorough numerical and physical treatment is required to assess its true impact.

研究动机与目标

• 探究星系盘形成与尘埃物理如何影响孤立NFW晕中辐射AGN反馈。
• 评估辐射反馈是否能产生与类星体中观测到的高vesc、高质量载荷率外流相匹配的外流。
• 评估尘埃颗粒生成与破坏在塑造外流动量与动能功率方面的作用。
• 在单次与多次散射辐射区域验证Arepo-RT代码的可靠性。
• 确定在真实星系环境中，尘埃辐射压力驱动可观测外流的条件。

提出的方法

• 使用Arepo-RT代码模拟辐射AGN反馈，该代码基于蒙特卡洛辐射传输的移动网格辐射-流体动力学框架。
• 模拟中心黑洞以恒定总光度发射辐射，辐射压力作用于尘埃颗粒以驱动外流。
• 使用简化的NFW晕在单次与多次散射区域验证激波前缘传播与解析解的一致性。
• 引入辐射冷却以形成类似银河系的星系盘，使中心尘埃面密度提高15倍。
• 在星系形成过程中模拟尘埃颗粒生成，使中心尘埃/气体比从0.01提升至0.06。
• 在外流中引入热溅射引起的尘埃破坏，模拟热冲击气体中颗粒的蒸发。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过尘埃上辐射压力的辐射AGN反馈是否能在孤立晕模拟中产生具有观测动量通量与动能功率的外流？
• RQ2 中心星系盘的存在如何影响AGN驱动外流的光学深度与动量耦合效率？
• RQ3 与假设恒定尘埃/气体比相比，建模尘埃颗粒生成对外流特性有何影响？
• RQ4 热溅射等尘埃破坏机制如何影响AGN驱动外流的持续时间与强度？
• RQ5 由于星系盘环境中尘埃光学深度增强，辐射耦合效率提高了多少？

主要发现

• 由于尘埃面密度与颗粒生成增强，星系盘的引入使晕的光学深度提高了两个数量级。
• 在包含星系盘与现实尘埃生成的模拟中，外流达到约10³ M☉ yr⁻¹的质量外流率与约2000 km s⁻¹的峰值速度，与观测到的类星体外流一致。
• 动量通量比（ζ）超过1（达到解析预期的约5倍），这是由于高光学深度环境下辐射耦合效率高且激波加热更强。
• 尽管动量耦合效率高，热溅射引起的尘埃破坏在AGN激活1 Myr内使尘埃质量减少70%，限制了反馈的持续性。
• 与无盘模型相比，标准星系盘+生成模型的外流动量通量、动能功率与峰值速度均提高5倍。
• 当辐射速度足够快（≥0.01c）时，模拟激波前缘传播与解析预期高度一致，验证了数值设置的可靠性。