[论文解读] Searching for the Imprints of AGN Feedback on the Lyman Alpha Forest Around Luminous Red Galaxies

Vikram Khaire, Teng Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用Illustris和IllustrisTNG模拟中明亮红巨星（LRGs）周围的莱曼-α森林吸收，检验活动星系核（AGN）反馈模型对星系晕气体的影响。在将紫外背景校准至与观测到的谱线密度一致后，发现IllustrisTNG在影响参数高达10 pMpc的范围内，其莱曼-α谱线密度（dN/dz）比Illustris高出1.5–2倍，该差异在HST/COS数据中具有超过12σ的显著性，使dN/dz(r⊥)成为AGN反馈模型的强有力观测基准。

ABSTRACT

We explore the potential of using the low-redshift Lyman-$α$ (Ly$α$) forest surrounding luminous red galaxies (LRGs) as a tool to constrain active galactic nuclei (AGN) feedback models. Our analysis is based on snapshots from the Illustris and IllustrisTNG simulations at a redshift of $z=0.1$. These simulations offer an ideal platform for studying the influence of AGN feedback on the gas surrounding galaxies, as they share the same initial conditions and underlying code but incorporate different feedback prescriptions. Both simulations show significant impacts of feedback on the temperature and density of the gas around massive halos. Following our previous work, we adjusted the UV background in both simulations to align with the observed number density of Ly$α$ lines ($ m dN/dz$) in the intergalactic medium and study the Ly$α$ forest around massive halos hosting LRGs, at impact parameters ($r_{\perp}$) ranging from 0.1 to 100 pMpc. Our findings reveal that $ m dN/dz$, as a function of $r_{\perp}$, is approximately 1.5 to 2 times higher in IllustrisTNG compared to Illustris up to $r_{\perp}$ of $\sim 10$ pMpc. To further assess whether existing data can effectively discern these differences, we search for archival data containing spectra of background quasars probing foreground LRGs. Through a feasibility analysis based on this data, we demonstrate that ${ m dN/dz} (r_{\perp})$ measurements can distinguish between feedback models of IllustrisTNG and Illustris with a precision exceeding 12$σ$. This underscores the potential of ${ m dN/dz} (r_{\perp})$ measurements around LRGs as a valuable benchmark observation for discriminating between different feedback models.

研究动机与目标

• 评估明亮红巨星（LRGs）周围的莱曼-α森林是否可作为宇宙学模拟中AGN反馈的探针。
• 比较不同AGN反馈方案——Illustris中的强热反馈与IllustrisTNG中的较温和动能反馈——对星系晕介质（CGM）和星际介质（IGM）中冷气体分布的影响。
• 在两个模拟中校准紫外背景，使它们的全局莱曼-α森林谱线密度（dN/dz）与观测一致，从而实现对反馈效应的公平比较。
• 评估现有HST/COS类星体光谱在探测LRGs时，是否能通过dN/dz(r⊥)分布统计区分两种反馈模型。

提出的方法

• 使用z = 0.1时Illustris和IllustrisTNG项目的模拟，二者具有相同的初始条件和宇宙学参数，但AGN反馈实现方式不同。
• 在两个模拟中调整紫外背景光学深度（Γ_HII），使其与星际介质的观测dN/dz一致，确保与观测到的莱曼-α森林统计特性一致。
• 利用晕星表识别宿主LRGs的大质量暗物质晕；在从0.1到100 pMpc的不同影响参数（r⊥）处生成模拟的高分辨率莱曼-α森林光谱。
• 光谱通过真实信噪比（S/N）和分辨率进行正向建模，匹配HST/COS观测（S/N ≈ 每像素7，分辨率6 km/s），并使用自动Voigt轮廓拟合代码进行拟合。
• 计算两个模拟的莱曼-α谱线密度分布dN/dz(r⊥)，并在不同影响参数下进行比较，以量化反馈导致的气体分布差异。
• 可行性分析利用档案中的HST/COS类星体光谱（94个类星体，3193个LRGs），估算dN/dz(r⊥)测量的统计精度，并预测区分两种反馈模型的显著性水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 LRGs周围的莱曼-α森林能否区分Illustris中的强热AGN反馈与IllustrisTNG中的较温和动能反馈？
• RQ2 AGN反馈如何改变不同影响参数下星系晕介质中负责莱曼-α吸收的冷而致密气体的分布？
• RQ3 现有HST/COS数据在多大程度上能分辨极端反馈模型之间的dN/dz(r⊥)差异？
• RQ4 dN/dz(r⊥)分布是否可作为校准宇宙学模拟中反馈方案的稳健观测基准？

主要发现

• 在紫外背景校准后，IllustrisTNG在影响参数高达10 pMpc的范围内，其dN/dz(r⊥)分布比Illustris高出1.5至2倍。
• dN/dz(r⊥)的差异源于较温和的AGN反馈使更多冷重子物质得以保留（IllustrisTNG中占38.5%，Illustris中占23.2%），从而在CGM中保留更多冷气体。
• 在大r⊥处，二维b–N_HI分布形态趋同于IGM，但所有影响参数下，IllustrisTNG的归一化（即谱线密度）仍显著更高。
• 可行性分析表明，利用94个HST/COS类星体光谱探测3193个LRGs，dN/dz(r⊥)测量可实现超过12σ的显著性，以区分Illustris与IllustrisTNG模型。
• 因此，dN/dz(r⊥)分布是约束AGN反馈模型的高灵敏度可观测量，甚至在当前数据下亦具显著区分能力。
• 该结果使LRGs周围的dN/dz(r⊥)成为未来宇宙学模拟中测试和校准反馈方案的关键基准。