[论文解读] Testing the Limits of AGN Feedback and the Onset of Thermal Instability in the Most Rapidly Star Forming Brightest Cluster Galaxies

Michael S. Calzadilla, M. McDonald+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 142被引用 17

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜对七个最剧烈恒星形成活动的最亮团星系（BCGs）的[O II]发射线进行窄带成像，以探测极端冷却核心中活动星系核（AGN）反馈的极限。研究发现，恒星形成率（SFR）与星系团介质（ICM）冷却率之间存在超过单位斜率的关系（log(SFR) = 1.67 log(Ṁcool) − 3.25），表明随着冷却率升高，恒星形成效率逐渐提高，而AGN反馈的有效性则下降；多相气体仅延伸至冷却时间达到0.5 Gyr的半径范围内，提示存在一个普遍的凝聚 timescale。

ABSTRACT

We present new, deep, narrow- and broad-band Hubble Space Telescope observations of seven of the most star-forming brightest cluster galaxies (BCGs). Continuum-subtracted [O II] maps reveal the detailed, complex structure of warm ($T \sim 10^4$ K) ionized gas filaments in these BCGs, allowing us to measure spatially-resolved star formation rates (SFRs) of ~60-600 Msun/yr. We compare the SFRs in these systems and others from the literature to their intracluster medium (ICM) cooling rates (dM/dt), measured from archival Chandra X-ray data, finding a best-fit relation of log(SFR) = (1.67+/-0.17) log(dM/dt) + (-3.25+/-0.38) with an intrinsic scatter of 0.39+/-0.09 dex. This steeper-than-unity slope implies an increasingly efficient conversion of hot ($T \sim 10^7$ K) gas into young stars with increasing dM/dt, or conversely a gradual decrease in the effectiveness of AGN feedback in the strongest cool cores. We also seek to understand the physical extent of these multiphase filaments that we observe in cluster cores. We show, for the first time, that the average extent of the multiphase gas is always smaller than the radii at which the cooling time reaches 1 Gyr, the tcool/tff profile flattens, and that X-ray cavities are observed. This implies a close connection between the multiphase filaments, the thermodynamics of the cooling core, and the dynamics of X-ray bubbles. Interestingly, we find a one-to-one correlation between the average extent of cool multiphase filaments and the radius at which the cooling time reaches 0.5 Gyr, which may be indicative of a universal condensation timescale in cluster cores.

研究动机与目标

• 测试在ICM冷却率极高的最快速恒星形成最亮团星系（BCGs）中AGN反馈的极限。
• 研究星系团核心区域多相电离气体丝状结构的空间范围和形态。
• 确定ICM中热不稳定性开始的时刻是否与可观测特征（如X射线空腔、冷却时间阈值或tcool/tff分布）相关。
• 评估热气体冷却转化为恒星形成物质的效率及其对AGN反馈饱和的影响。

提出的方法

• 获取了七种极端BCGs的深窄带和宽带哈勃空间望远镜（HST）观测，以绘制[O II] λλ3726,3729发射线星云的分布。
• 生成减去连续谱的[O II]图像，以高精度测量空间分辨的恒星形成率（SFR）。
• 将HST数据与档案Chandra X射线数据结合，通过X射线表面亮度和温度分布推导ICM冷却率（Ṁcool）。
• 通过[O II]和Hα发射测量多相气体的平均径向范围⟨R⟩，并与冷却时间（tcool）、tcool/tff比值及X射线空腔半径等ICM热力学指标进行比较。
• 进行统计分析，以确定SFR与Ṁcool之间的标度关系，包括内在离散度和置信区间。
• 将多相气体的平均范围与冷却时间达到0.5 Gyr和1 Gyr的半径进行比较，并与X射线空腔位置及tcool/tff分布拐点进行对照。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最极端的冷却核心BCGs中，恒星形成率（SFR）如何随星系团介质（ICM）冷却率（Ṁcool）变化？
• RQ2 多相气体丝状结构的物理范围相对于星系团核心区域的关键热力学与动力学特征（如X射线空腔和冷却时间阈值）如何？
• RQ3 ICM中热不稳定的开始是否与0.5 Gyr冷却时间半径所提示的普遍凝聚 timescale 相关？
• RQ4 在冷却率超过1000 M⊙ yr−1的系统中，AGN反馈在多大程度上有效？其有效性是否随冷却率增加而降低？
• RQ5 电离气体丝状结构的形态如何与X射线空腔及ICM湍流相关？

主要发现

• 发现SFR与ICM冷却率之间存在超过单位斜率的关系：log(SFR) = (1.67 ± 0.17) log(Ṁcool) + (−3.25 ± 0.38)，内在离散度为0.39 ± 0.09 dex，表明在更强冷却核心中，热气体向恒星的转化效率逐渐提高。
• 多相气体的平均径向范围⟨R⟩始终小于冷却时间达到1 Gyr的半径，也小于tcool/tff分布变平的半径，以及X射线空腔所在的位置，表明这些特征定义了热不稳定的边界。
• 在⟨R⟩与ICM冷却时间达到0.5 Gyr的半径之间发现强烈的1:1相关性，提示星系团核心区域存在普遍的凝聚 timescale。
• 随着冷却率升高，恒星形成效率提高，意味着AGN反馈的有效性逐渐下降，可能由于接近爱丁顿极限时反馈模式从动能主导转向辐射主导。
• 丝状结构形态差异显著，部分与X射线空腔边缘对齐（暗示由浮力气泡抬升），而另一些则垂直于喷流轴，表明ICM湍流有显著影响。
• 样本中最具极端性的BCGs具有约150 M⊙ yr−1的SFR，是星系团核心中已知最强的星暴之一，且与类星体活动一致，支持高冷却率与类星体活动之间存在联系。