[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究提出了闭合半径 $ R_{\rm c} $，这是一个与晕质量及重子物质分数相关的尺度，所有与晕相关联的重子物质均位于该尺度以内。利用宇宙学模拟（TNG、EAGLE、SIMBA），研究发现反馈机制——矮星系中为紫外背景辐射，星系群中为恒星反馈，大质量星系团中为活动星系核（AGN）反馈——会重置重子物质分布，将物质从晕中心推至外围，对于观测到的X射线晕，$ R_{\rm c} \sim 1.5{-}2.5 R_{\rm 200c} $。

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

研究动机与目标

• 通过识别重子物质在晕的virial半径之外的分布位置，解决缺失重子物质问题。
• 确定从 $ 10^8 $ 到 $ 10^{15} M_\odot $ 晷尺度上重子物质重新分布的主要物理过程。
• 定义一个特征尺度——闭合半径 $ R_{\rm c} $，即所有与晕相关联的重子物质均被包含在内的半径。
• 为星系群和星系团建立 $ R_{\rm c} $、晕重子物质分数与红移之间的普适关系。
• 通过与X射线和SZ数据对比，使反馈物理机制可被观测约束。

提出的方法

• 使用三种宇宙学流体动力学模拟：TNG50、TNG100、TNG300、EAGLE 和 SIMBA，覆盖 $ 10^8 < M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{15} $ 的质量范围。
• 通过在TNG变体中选择性关闭恒星反馈、AGN反馈、冷却过程和辐射，开展受控的反馈实验，以隔离物理机制。
• 将闭合半径 $ R_{\rm c} $ 定义为包含所有与晕相关联的重子物质的半径，基于径向重子物质密度分布推导得出。
• 利用模拟输出拟合普适关系：$ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} - 1 = \beta(z)(1 - f_{\rm b}(<R_{\rm 200c})/f_{\rm b,cosmic}) $，其中 $ \beta(z) = \alpha(1+z)^\gamma $。
• 分析 $ R_{\rm c} $ 对晕属性（重子物质分数、黑洞质量、恒星形成活动）的依赖性。
• 通过将 $ R_{\rm c} $ 关系应用于观测到的X射线和SZ重子物质分数，预测其观测影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 晕中心区域缺失的重子物质位于何处？其重新分布的物理过程是什么？
• RQ2 在不同质量的晕中，主导重子物质重新分布的反馈机制是什么？
• RQ3 能否定义一个与晕质量及重子物质分数相关的普适闭合半径 $ R_{\rm c} $，以包含所有与晕相关联的重子物质？
• RQ4 闭合半径如何依赖于星恒星形成活动或黑洞质量等晕属性？
• RQ5 能否利用 $ R_{\rm c} $ 关系预测X射线和SZ巡天中可观测到的重子物质分布？

主要发现

• 在低质量晕中（$ 10^8 \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{10} $），紫外背景辐射抑制了气体吸积，使重子物质被推至大半径区域。
• 在中等质量晕中（$ 10^{10} \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{12} $），恒星反馈主导了重子物质的重新分布，导致 $ R_{\rm c} $ 增大。
• 在星系群和星系团中（$ 10^{12} \leq M_{\rm 200c}/M_\odot < 10^{14} $），AGN反馈是重子物质重新分布的主要驱动力，尤其在抑制恒星形成的系统中更为显著。
• 对于星系群和星系团，闭合半径遵循普适关系 $ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} - 1 = \beta(z)(1 - f_{\rm b}(<R_{\rm 200c})/f_{\rm b,cosmic}) $，其中 $ \beta(z) = \alpha(1+z)^\gamma $。
• 该模型预测，所有与观测到的X射线晕相关联的重子物质均被包含在 $ R_{\rm c} \sim 1.5{-}2.5 R_{\rm 200c} $ 之内。
• 黑洞质量偏小的晕中，$ R_{\rm c}/R_{\rm 200c} \lesssim 1 $，表明喷射型AGN反馈是塑造星系群中重子物质分布的关键因素。