[论文解读] AGN Feedback, Host Halo Mass and Central Cooling Time: Implications for Galaxy Formation Efficiency and $M_{BH} - \sigma$

Robert Main, B. R. McNamara+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究将星系团中活动星系核（AGN）反馈功率与宿主晕质量及中心冷却时间关联起来，发现只有当冷却时间低于10亿年时，反馈才与晕质量相关——表明反馈调节了冷却不稳定性。结果支持自相似标度关系，以及黑洞与星系通过 $M_{BH} - \sigma$ 关系的共同演化，且在整个晕质量尺度上对恒星形成实现紧密调控。

ABSTRACT

We derive X-ray mass, luminosity, and temperature profiles for 45 galaxy clusters to explore relationships between halo mass, feedback, and central cooling time. We find that radio--mechanical feedback power (referred to here as AGN power) in central cluster galaxies correlates with halo mass, but only in halos with central atmospheric cooling times shorter than 1 Gyr. This timescale corresponds approximately to the cooling time (entropy) threshold for the onset of cooling instabilities and star formation in central galaxies (Rafferty et al. 2008). No correlation is found in systems with central cooling times greater than 1 Gyr. The trend with halo mass is consistent with self-similar scaling relations assuming cooling is regulated by feedback. The trend is also consistent with galaxy and central black hole co-evolution along the $M_{BH} - \sigma $ relation. power further correlates with X-ray gas mass and the host galaxy's K-band luminosity. power in clusters with central atmospheric cooling times longer than ~1 Gyr typically lies two orders of magnitude below those with shorter central cooling times. Galaxies centred in clusters with long central cooling times nevertheless experience ongoing and occasionally powerful outbursts. We further investigate the impact of feedback on cluster scaling relations. We find L-T, and M-T relations, excluding regions directly affected by AGN, that are consistent with the cluster population as a whole. While the gas mass rises, the stellar mass remains nearly constant with rising total mass, consistent with earlier studies. This trend is found regardless of central cooling time, implying tight regulation of star formation in central galaxies as their halos grew, and long-term balance between heating and atmospheric cooling. Our scaling relations are presented in forms that can be incorporated easily into galaxy evolution models.

研究动机与目标

• 研究星系团中AGN反馈功率、宿主晕质量与中心大气冷却时间之间的关系。
• 确定反馈是否在不同晕质量区间调节了中心星系的冷却不稳定性与恒星形成。
• 评估AGN反馈对集群标度关系（L-T、M-T）及星系形成效率的影响。
• 探讨反馈与X射线气体质量和宿主星系K波段光度的相关性。
• 提供适用于集成到星系演化模型中的标度关系。

提出的方法

• 利用X射线观测，推导出45个星系团的X射线质量、光度和温度分布。
• 根据X射线温度和密度分布计算中心大气冷却时间。
• 基于冷却时间阈值（约1 Gyr）对星系团进行分类，以比较短冷却时间与长冷却时间系统中反馈行为的差异。
• 分析AGN反馈功率、晕质量、X射线气体质量与K波段光度之间的相关性。
• 排除受AGN影响的区域，以推导出内在的L-T与M-T标度关系。
• 以自相似标度关系为基准，检验其与反馈调节冷却的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN反馈功率是否与宿主晕质量相关？若相关，其条件为何？
• RQ2 中心冷却时间如何影响星系团中AGN反馈的强度与调节作用？
• RQ3 AGN反馈在多大程度上调节了不同晕质量下中心星系的恒星形成？
• RQ4 当排除受AGN影响的区域时，L-T与M-T标度关系如何表现？
• RQ5 AGN反馈功率与宿主星系属性（如K波段光度与X射线气体质量）之间存在何种关系？

主要发现

• AGN反馈功率仅在中心冷却时间短于10亿年的星系团中与晕质量相关，该时间阈值为冷却不稳定性开始的临界点。
• 冷却时间长于10亿年的星系团中，AGN反馈功率比冷却时间短的星系团低两个数量级。
• 尽管反馈功率较低，长冷却时间星系团中的星系仍经历持续且偶尔强烈的AGN爆发。
• 排除AGN影响区域后，L-T与M-T标度关系仍与整体星系团群体保持一致，表明反馈调节具有鲁棒性。
• 中心星系的恒星质量随总晕质量增加而基本保持不变，而气体质量则持续增加——表明加热与冷却长期处于平衡状态。
• 观测到的趋势支持自相似标度关系，以及沿 $M_{BH} - \sigma$ 关系的黑洞与星系共同演化。