[论文解读] A Parameter Space Exploration of High-resolution Numerically Evolved Early Type Galaxies Including AGN Feedback and Accurate Dynamical Treatment of Stellar Orbits

Luca Ciotti, Jeremiah P. Ostriker+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 60被引用 6

一句话总结

本研究利用MACER流体动力学代码，对轴对称早期型星系（ETGs）的高分辨率参数空间进行了探索，整合了活动星系核（AGN）反馈、精确的恒星轨道动力学、宇宙学吸积以及星系群/星系团暗物质晕。研究发现，旋转且扁平的星系会形成约1 kpc大小的冷气体盘和约0.1 kpc大小的金属丰度较高的恒星形成盘，热气体质量约为老年恒星质量的10%，且有两倍于此的质量被喷射至星系际介质中，成功再现了真实ETGs的关键全局特性。

ABSTRACT

An extensive exploration of the model parameter space of axisymmetric early type galaxies (ETGs) hosting a central supermassive black hole (SMBH) is conducted by means of high-resolution hydrodynamical simulations performed with our code MACER. Global properties such as (1) total SMBH accreted mass, (2) final X-ray luminosity and temperature of the X-ray emitting halos, (3) total amount of new stars formed from the cooling gas, and (4) total ejected mass in the form of supernovae and active galactic nuclei (AGN) feedback induced galactic winds, are obtained as a function of galaxy structure and internal dynamics. In addition to the galactic dark matter halo, the model galaxies are also embedded in a group/cluster dark matter halo; finally, cosmological accretion is also included, with the amount and time dependence derived from cosmological simulations. Angular momentum conservation leads to the formation of cold H i disks; these disks further evolve under the action of star formation induced by disk instabilities, of the associated mass discharge onto the central SMBH, and of the consequent AGN feedback. At the end of the simulations, the hot (metal-enriched) gas mass is roughly 10% the mass in the old stars, with twice as much having been ejected into the intergalactic medium. The cold gas disks are approximately kiloparsec in size, and the metal-rich new stars are in 0.1 kpc disks. The masses of cold gas and new stars are roughly 0.1% of the mass of the old stars. Overall, the final systems appear to reproduce quite successfully the main global properties of real ETGs.

研究动机与目标

• 在真实物理条件下，探索具有中心超大质量黑洞（SMBH）的早期型星系（ETGs）的参数空间。
• 研究星系结构与内部动力学（尤其是旋转与扁平度）如何影响AGN反馈、X射线晕特性以及恒星形成。
• 模拟宇宙学吸积、星系群/星系团暗物质晕与AGN反馈之间的相互作用，以揭示其对星际介质（ISM）和SMBH增长的影响。
• 确定SMBH吸积质量、X射线光度、恒星形成与质量喷射等全局结果随星系参数的变化关系。

提出的方法

• 使用MACER代码进行高分辨率二维轴对称流体动力学模拟，内边界从2.5 pc至20 pc，以解析Bondi半径。
• 通过求解Jeans方程的解析解，纳入SMBH增长与恒星质量损失所导致的时间依赖引力势。
• 通过角动量输运与盘不稳定性建模，驱动气体冷却、恒星形成与SMBH吸积。
• 通过辐射加热与机械加热实现AGN反馈，反馈强度取决于局部ISM条件。
• 纳入来自宇宙学模拟的宇宙学吸积率，并引入星系群/星系团暗物质晕以实现约束。
• 采用解析解描述恒星速度 dispersion 与势能演化，考虑时间依赖的质量损失与SMBH增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星成分的旋转支持与扁平度在多大程度上影响ETGs中SMBH吸积与AGN反馈效率？
• RQ2 在广泛的星系结构与动力学参数范围内，其最终的全局特性（如X射线光度、温度以及热气体与冷气体的质量）如何？
• RQ3 在旋转ETGs中，冷气体盘与新恒星形成在多大程度上源于盘不稳定性？它们与AGN活动的相关性如何？
• RQ4 包含宇宙学吸积与约束性星系群/星系团晕后，对ISM最终状态与SMBH质量有何影响？
• RQ5 热气体、冷气体与喷射气体的净质量预算如何？与观测到的ETG特性相比有何异同？

主要发现

• 最终的热（金属富集）气体质量约为老年恒星质量的10%，而约两倍于此质量的气体被喷射至星系际介质中。
• 冷气体盘形成，其尺寸约为1 kpc，由旋转ETGs中角动量守恒与盘不稳定性驱动。
• 新恒星在半径约0.1 kpc的紧凑盘中形成，其质量约为老年恒星质量的0.1%。
• 与非旋转、更球状的系统相比，旋转且扁平的星系中X射线晕表现出更低的光度与更低的温度，与观测结果一致。
• 模拟成功再现了真实ETGs的主要全局特性，包括SMBH吸积质量、X射线光度与恒星形成率。
• 恒星速度 dispersion 与旋转速度场的时间演化被自洽地建模，显示出由于质量损失与SMBH增长导致的显著长期变化。