[论文解读] Modelling the expulsion of baryons from haloes from first principles: the role of feedback and of the cosmological constant

Oscar Veenema, Daniele Sorini+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2026

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 0

一句话总结

该论文提出一个基于第一性原理的分析模型，用于围绕晕/晕系的闭合半径，预测重子物质返回宇宙学值并在EAGLE模拟中针对多种宇宙学参数（包括不同的Lambda值）进行验证。

ABSTRACT

The extent to which galactic-scale astrophysical processes conspire with the underlying cosmological model to expel baryons from haloes remains a central question in galaxy formation. We present an analytical model for the gas distribution within and beyond haloes, based on the balance between gravitational collapse, hydrostatic pressure, and cosmic expansion. Our model predicts, from first principles, the halo-centric distance enclosing a baryon mass fraction equal to the cosmic value $f_{ m b} = Ω_{ m b}/Ω_{ m m}$ (`closure radius') in an arbitrary $Λ$CDM cosmology. We compare the predictions with the results of six variants of the EAGLE cosmological, hydrodynamical simulation, encompassing values of the cosmological constant ranging from 0 to 100 times its observed value in our Universe, $Λ_0$. Despite its simplicity, our model exhibits excellent agreement with the simulations for haloes with mass $M_{ m 200c} > 10^{11} M_\odot$ in the redshift range $0

研究动机与目标

• 在LCDM框架内理解反馈和宇宙学如何驱动重子从晕系中被排出，提供直观认识。
• 提出一个第一性原理的分析模型，用于描述围绕晕系的气体分布，连接体层静力平衡、引力与宇宙膨胀。
• 推导一个物理动机充分的闭合半径与晕系性质之间的关系。
• 将分析预测与在不同宇宙常数下的EAGLE模拟进行对比，以测试在不同宇宙学中的鲁棒性。

提出的方法

• 假设对称性为球对称，平衡气体压强、引力以及Lambda驱动的斥力，以导出 rho(r) 的控制方程。
• 采用多原理方程状态：P(r) = w_n rho(r)^{n+1}，并在极限区域解出相应的ODE。
• 在远场（rho << rho_crit）推导出幂律密度分布 rho(r) ~ r^{-eta}，并将 eta 与多原理指数 n 联系起来。
• 通过一个关于晕质量、气体分数和宇宙学的解析积分，将整合的重子质量等于 f_b-cosmic M_200，从而得到闭合半径 R_closure。
• 以 M_200、R_200、f_b-cosmic、f_b-halo 以及气体热力参数表示闭合半径，得到一个实用公式（Eq. 21）。
• 将热力常数 w_n 与晕的性质（如气体分数、virial 温度等）联系起来以封闭体系（Eq. 20）。

Figure 1: Plot of equation ( 2 ) showing the evolution of cosmological redshift over elapsed cosmic time, highlighting differences in time evolution among universes with varying dark energy. Five cosmologies are shown, including an Einstein-de Sitter universe (EdS) with zero dark energy, a universe

实验结果

研究问题

• RQ1 在LCDM宇宙学中，闭合半径如何随晕质量和红移变化？
• RQ2 改变宇宙常数对晕系中重子迁出有何影响？
• RQ3 第一性原理的分析模型是否能再现模拟中观测到的闭合半径–晕质量经验关系？
• RQ4 在不同宇宙学中，闭合半径对反馈与气体物理的变化有多鲁棒？

主要发现

• 该模型预测的闭合半径大于 R_200，将重子耗减与宇宙学及晕系性质联系起来（Eq. 21）。
• 在较高暗能量（Lambda）和较低气体分数下，闭合半径增大，与重子迁出的预期一致。
• 推导出的解析框架在六个类似EAGLE的模拟中，与 0<z<3 的 M_200 > 1e11 Msun 脉冲覆盖 Lambda 从 0 到 100 Lambda_0 的区间呈现出极好的一致性。
• 暗能量在闭合半径中发挥非微不足道的作用：在 fiducial Lambda_0 宇宙中，z<2 时的闭合半径比爱因斯坦-希特比特（Einstein-de Sitter）宇宙大约大30%。
• 对于 Lambda >= 10 Lambda_0，暗能量成为重子迁出中的主导因素，表明随着宇宙进入 Lambda 主导阶段，其重要性将增加。
• 该模型推广了经验性的闭合半径–晕质量关系，在适当极限下退化为 Ayromlou et al. (2023) 的形式，并扩展到更广的参数范围。

Figure 2: Analytical linear-theory growing-mode evolution for universes with different dark energy contents, showing how the growth of initial matter-density perturbations varies. Dotted lines mark the epoch of matter-dark energy equality in each model universe. In cosmologies with $\Lambda>0$ , the