[论文解读] Predictions for the X-ray circumgalactic medium of edge-on discs and spheroids

Anna Nica, Benjamin D. Oppenheimer+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 85被引用 7

一句话总结

基于EAGLE宇宙学模拟生成的eROSITA模拟观测，本研究预测：在侧向盘状星系中，由于更密集且共旋的热气体，其星系晕（CGM）在半长轴（盘面方向）的软X射线亮度比在半短轴（极向）高出60–100%。球状星系的CGM温度更高、范围更广，这与其更高的晕质量有关，尽管在恒星质量固定时总CGM亮度相似。这些方位角和形态依赖性可通过eROSITA的全天巡天及对高倾角盘状星系的后续观测进行检验。

ABSTRACT

We investigate how the X-ray circumgalactic medium (CGM) of present-day galaxies depends on galaxy morphology and azimuthal angle using mock observations generated from the EAGLE cosmological hydrodynamic simulation. By creating mock stacks of {\it eROSITA}-observed galaxies oriented to be edge-on, we make several observationally-testable predictions for galaxies in the stellar mass range $M_\star=10^{10.7-11.2}\;$M$_{\odot}$. The soft X-ray CGM of disc galaxies is between 60 and 100\% brighter along the semi-major axis compared to the semi-minor axis, between 10-30 kpc. This azimuthal dependence is a consequence of the hot ($T>10^6$ K) CGM being non-spherical: specifically it is flattened along the minor axis such that denser and more luminous gas resides in the disc plane and co-rotates with the galaxy. Outflows enrich and heat the CGM preferentially perpendicular to the disc, but we do not find an observationally-detectable signature along the semi-minor axis. Spheroidal galaxies have hotter CGMs than disc galaxies related to spheroids residing at higher halos masses, which may be measurable through hardness ratios spanning the $0.2-1.5$ keV band. While spheroids appear to have brighter CGMs than discs for the selected fixed $M_\star$ bin, this owes to spheroids having higher stellar and halo masses within that $M_\star$ bin, and obscures the fact that both simulated populations have similar total CGM luminosities at the exact same $M_\star$. Discs have brighter emission inside 20 kpc and more steeply declining profiles with radius than spheroids. We predict that the {\it eROSITA} 4-year all-sky survey should detect many of the signatures we predict here, although targeted follow-up observations of highly inclined nearby discs after the survey may be necessary to observe some of our azimuthally-dependent predictions.

研究动机与目标

• 研究X射线星系晕（CGM）性质在侧向配置下如何依赖于星系形态和方位角。
• 检验盘状星系的热CGM是否因非球对称、共旋的气体分布而表现出方位角依赖性。
• 在恒星质量固定的情况下，比较盘状星系与球状星系的X射线CGM亮度与温度。
• 评估这些预测特征是否可通过eROSITA全天巡天及针对性后续观测进行探测。
• 基于高分辨率宇宙学模拟，为即将开展的X射线巡天提供可观测检验的预测。

提出的方法

• 使用EAGLE宇宙学流体动力学模拟对eROSITA观测进行正向建模。
• 将模拟星系旋转至侧向方向，以模拟侧向观测。
• 对约100个位于固定恒星质量区间（M★ = 10^10.7–11.2 M⊙）的星系进行模拟X射线观测叠加。
• 分析CGM（10–30 kpc）中X射线表面亮度、温度和密度的方位角分布。
• 通过运动学形态分类比较盘状星系与球状星系的CGM特性。
• 利用0.2–1.5 keV能段的硬度比探测不同形态之间的温度差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 侧向盘状星系的X射线CGM是否表现出表面亮度的方位角依赖性？若存在，何处辐射最强？
• RQ2 导致盘状星系中X射线辐射方位角变化的物理机制是什么？
• RQ3 在相同恒星质量下，球状星系CGM的X射线特性与盘状星系相比如何？
• RQ4 CGM的温度与硬度是否可用于区分盘状与球状星系形态？
• RQ5 预测的X射线特征是否可通过eROSITA的4年全天巡天及后续观测探测到？

主要发现

• 侧向盘状星系在15 kpc处，其半长轴（盘面方向）的X射线CGM亮度比半短轴（极向）高60–100%，这是由于盘面方向气体密度更高且共旋。
• 盘状星系中方位角亮度增强并非由喷流引起，因为喷流更倾向于加热垂直于盘面的气体，而是由盘面方向更高的气体密度驱动。
• 球状星系因位于质量更大的晕中，其CGM温度更高、范围更广，尽管在恒星质量相同时总CGM亮度与盘状星系相似。
• 盘状星系与球状星系CGM之间的温度差异可能通过0.2–1.5 keV能段的硬度比探测到，但效应较弱。
• 尽管总亮度相似，盘状星系的X射线表面亮度轮廓更陡，且在20 kpc以内CGM更明亮，而球状星系则相反。
• 预测的盘状星系方位角依赖性可通过eROSITA全天巡天探测到，但可能需要对邻近高倾角盘状星系进行针对性后续观测以获得稳健确认。