[论文解读] The interplay between AGN feedback and precipitation of the intracluster medium in simulations of galaxy groups and clusters

Folkert S J Nobels, Joop Schaye+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 143被引用 25

一句话总结

本研究利用高分辨率流体动力学模拟，探究活动星系核（AGN）反馈与降水过程如何调控星系群和星系团中的气体冷却。结果表明，在低质量晕（10¹³ M⊙）中，AGN反馈迅速抑制恒星形成，并将冷核系统转变为非冷核系统；而在更高质量的星系团中，循环反馈导致恒星形成与黑洞吸积的周期性爆发，其行为受tcool/tdyn比值与熵变的调控。

ABSTRACT

Using high-resolution hydrodynamical simulations of galaxy clusters, we study the interaction between the brightest cluster galaxy, its supermassive black hole (BH) and the intracluster medium (ICM). We create initial conditions for which the ICM is in hydrostatic equilibrium within the gravitational potential from the galaxy and an NFW dark matter halo. Two free parameters associated with the thermodynamic profiles determine the cluster gas fraction and the central temperature, where the latter can be used to create cool-core or non-cool-core systems. Our simulations include radiative cooling, star formation, BH accretion, and stellar and active galactic nucleus (AGN) feedback. Even though the energy of AGN feedback is injected thermally and isotropically, it leads to anisotropic outflows and buoyantly rising bubbles. We find that the BH accretion rate (BHAR) is highly variable and only correlates strongly with the star formation rate (SFR) and the ICM when it is averaged over more than $1~ m Myr$. We generally find good agreement with the theoretical precipitation framework. In $10^{13}~ m M_\odot$ haloes, AGN feedback quenches the central galaxy and converts cool-core systems into non-cool-core systems. In contrast, higher-mass, cool-core clusters evolve cyclically. Episodes of high BHAR raise the entropy of the ICM out to the radius where the ratio of the cooling time and the local dynamical time $t_{ m cool}/t_{ m dyn} > 10$, thus suppressing condensation and, after a delay, the BHAR. The corresponding reduction in AGN feedback allows the ICM to cool and become unstable to precipitation, thus initiating a new episode of high SFR and BHAR.

研究动机与目标

• 理解活动星系核反馈与星系群及星系团中气体降水之间的相互作用。
• 研究AGN反馈在不同质量晕中如何调控恒星形成与黑洞吸积。
• 检验降水框架在调控星系团内介质中冷却流方面的有效性。
• 考察tcool/tdyn比值与熵在触发或抑制冷气凝聚中的作用。

提出的方法

• 使用SWIFT代码对质量为10¹³–10¹⁴ M⊙的星系团进行模拟，具备高空间与质量分辨率。
• 初始条件设定为流体静力平衡，暗物质晕采用NFW模型，星系团内介质（ICM）分布由两个自由参数定义：中心温度（T₀）与气体分数。
• 亚网格模型包含辐射冷却、恒星形成、黑洞吸积以及热的、各向同性的AGN反馈。
• 反馈以热的、各向同性方式注入，但因流体动力学相互作用，实际产生各向异性的喷流与浮力气泡。
• 对时间平均的黑洞吸积率（BHAR）与恒星形成率（SFR）进行分析，以评估其与ICM性质在超过1 Myr timescale上的相关性。
• 通过时间移位的互相关分析，量化SFR/BHAR与ICM性质（如tcool/tdyn与熵）之间的延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN反馈如何影响不同质量星系团中冷核与非冷核系统之间的转变？
• RQ2 tcool/tdyn比值在调控气体凝聚与反馈周期中扮演何种角色？
• RQ3 为何低质量星系团（10¹³ M⊙）迅速演化为非冷核系统，而更高质量星系团则表现出循环行为？
• RQ4 为何各向同性的热AGN反馈会导致各向异性的喷流与浮力气泡？
• RQ5 熵与tcool/tdyn在多大程度上可作为降水与反馈启动的预测因子？

主要发现

• 在10¹³ M⊙晕中，AGN反馈在约1 Gyr内迅速抑制恒星形成，并将冷核系统转变为非冷核系统。
• 在更高质量星系团（10¹³.⁵–10¹⁴ M⊙）中，AGN反馈引发循环行为：高BHAR与SFR事件之后紧随抑制阶段，循环周期由反馈影响区域外侧的冷却时间决定。
• 在高SFR事件之前，中心区域的tcool/tdyn比值降至10以下，表明低tcool/tdyn触发了降水与后续反馈。
• AGN反馈使tcool/tdyn ≈10半径范围内的ICM熵升高，从而抑制进一步凝聚，并延迟下一次反馈事件。
• 高熵气泡（K > 10² keV cm²）必须延伸至远大于其平衡半径的位置才能凝聚，可能由于热气泡超前或风效应所致。
• 模拟在气体粒子质量四个数量级范围内表现出收敛性，但在大质量星系团中，当粒子质量低于~6×10⁶ M⊙时，由于中心ICM–AGN相互作用分辨率不足，振荡行为开始崩溃。