Simulating AGN wind feedback with variable feedback efficiencies in idealised disc galaxies

1. Problématique et Contexte

Le feedback des Noyaux Actifs de Galaxies (AGN) est un mécanisme crucial dans la formation et l'évolution des galaxies, notamment pour réguler la croissance des galaxies massives et expliquer leur extinction (quenching). Cependant, les modèles actuels reposent souvent sur des prescriptions phénoménologiques simplifiées où l'efficacité de couplage entre l'énergie du trou noir (TN) et le gaz environnant est constante.

Les observations et les simulations hydrodynamiques à haute résolution suggèrent que les vents AGN (notamment les vents ultra-rapides ou UFOs, pilotés par la pression de radiation sur les lignes UV) présentent une efficacité de couplage qui dépend du taux d'accrétion du trou noir, normalisé par le taux d'Eddington ($\dot{m}$). L'objectif de cette étude est d'investiguer l'impact d'une efficacité de couplage variable (fonction de puissance de $\dot{m}$) sur l'évolution des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs (SMBH), en comparant ce modèle à une efficacité constante traditionnelle.

2. Méthodologie

Code et Modèles Physiques :

• Code de simulation : Utilisation de SWIFT, un code hydrodynamique parallèle utilisant la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) avec le schéma SPHENIX.
• Physique sub-grille : Implémentation du modèle COLIBRE, qui inclut le refroidissement radiatif (modèle HYBRID-CHIMES), la formation d'étoiles (loi de Schmidt), l'enrichissement chimique, la poussière, et les feedbacks stellaires (SN) et AGN.
• Configuration initiale : Simulations de galaxies disques idéalisées de masse similaire à la Voie Lactée ($M_{200} \approx 1.37 \times 10^{12} M_\odot$). Le système comprend :
  • Un halo de matière noire statique (profil Hernquist).
  • Un disque d'étoiles et un disque de gaz froid (exponentiels).
  • Un milieu circumgalactique (CGM) chaud en équilibre hydrostatique.
  • Un trou noir central (SMBH) dont la masse initiale varie ($10^6$ à $10^9 M_\odot$).

Nouveau Modèle de Feedback AGN :

• Accrétion : Le taux d'accrétion est calculé via le modèle Bondi-Hoyle-Lyttleton modifié pour inclure la turbulence et la vorticité, limité à 100 fois le taux d'Eddington.
• Injection d'énergie : Le feedback est purement thermique (représentant l'énergie cinétique des vents thermalisée par des chocs sous-grille).
• Efficacité de couplage ($\eta$) :
  • Modèle de référence (Constant) : $\eta = 0.05$ (indépendant de $\dot{m}$).
  • Nouveau modèle (Variable) : $\eta = N_\eta \dot{m}^{\alpha_\eta}$, inspiré des prédictions du modèle Qwind pour les vents pilotés par les lignes UV.
  • Les paramètres $N_\eta$ (normalisation) et $\alpha_\eta$ (pente) sont variés. La valeur de référence est calibrée sur $\eta \approx 0.1$ pour $\dot{m} \approx 0.1$, avec $\alpha_\eta = 2.6$.

Protocole :
Les simulations sont exécutées sur 3,3 Gyr. Une phase de relaxation dynamique du CGM est effectuée avant l'injection du trou noir pour assurer l'équilibre. Des variations de masse du TN et des paramètres du modèle de couplage sont testées.

3. Contributions Clés

1. Implémentation d'un couplage variable : Première intégration d'une dépendance en loi de puissance de l'efficacité de couplage AGN ($\eta \propto \dot{m}^{2.6}$) dans un code cosmologique/hydrodynamique à grande échelle (SWIFT/COLIBRE).
2. Étude de l'autorégulation : Investigation approfondie de la manière dont la variation de $\eta$ affecte l'autorégulation du trou noir (le mécanisme par lequel le feedback module l'accrétion future).
3. Comparaison systématique : Analyse comparative détaillée entre les modèles à couplage constant et variable pour différentes masses de trous noirs, en se concentrant sur les propriétés du TN, du gaz, et des flux sortants (outflows).
4. Rôle du CGM : Démonstration de l'importance critique de l'inclusion d'un CGM chaud pour maintenir l'accrétion à long terme et la formation d'étoiles dans les galaxies isolées.

4. Résultats Principaux

Impact de la variation des paramètres de couplage ($N_\eta, \alpha_\eta$) :

• Pour une masse de TN fixe, les variations des paramètres du modèle variable entraînent des changements modestes dans les propriétés globales de la galaxie (taux de formation d'étoiles, masse stellaire).
• Cependant, une efficacité de couplage plus élevée (faible pente $\alpha_\eta$ ou forte normalisation $N_\eta$) conduit à un taux d'accrétion plus faible et à une croissance du TN plus lente, mais à des flux sortants plus puissants.
• Le modèle variable montre une tendance à l'autorégulation : si le feedback expulse le gaz, $\dot{m}$ baisse, ce qui réduit automatiquement $\eta$, permettant au gaz de retomber et de réalimenter le TN.

Impact de la masse du Trou Noir ($M_{BH}$) :

• La masse du TN est le facteur dominant. Des TN plus massifs génèrent des feedbacks plus forts, réduisant davantage le gaz froid et la formation d'étoiles.
• Croissance du TN : Le modèle à couplage variable permet une croissance du TN plus rapide que le modèle constant pour une masse initiale donnée. En effet, à des taux d'accrétion élevés, $\eta$ est plus faible dans le modèle variable, limitant le feedback et permettant une accrétion continue. Cela pourrait expliquer la présence de TN surmassifs à haut redshift.
• Extinction (Quenching) : Les modèles à couplage constant extinguent les galaxies plus rapidement et plus efficacement que les modèles variables pour les TN massifs.

Comportement des Flux Sortants (Outflows) :

• Les flux sortants sont dominés par l'énergie thermique (environ 70-80 % de la puissance totale).
• Le modèle à couplage constant produit des cavités centrales plus larges et des flux sortants plus intenses initialement, mais s'épuise plus vite.
• Le modèle variable maintient une activité plus durable, avec des flux sortants plus faibles initialement mais plus persistants, et une densité de gaz centrale plus élevée à long terme.
• Les flux sont principalement bipolaires (pôles), tandis que les régions équatoriales montrent des flux entrants (inflow) et des phénomènes de "fontaine galactique".

Rôle du CGM :

• Sans CGM, le TN s'épuise rapidement (après ~1,7 Gyr) car le disque de gaz froid est épuisé et non renouvelé.
• Avec un CGM, le refroidissement et l'inflow du gaz chaud fournissent un réservoir continu, permettant une activité AGN et une formation d'étoiles soutenues sur de longues périodes.

5. Signification et Implications

• Croissance des TN à haut redshift : Le modèle à couplage variable, en réduisant l'efficacité du feedback aux taux d'accrétion élevés (typiques du jeune univers), permet une croissance plus rapide des trous noirs. Cela offre une piste potentielle pour expliquer la présence de TN supermassifs observés par le JWST à des redshifts très élevés, sans nécessairement violer les relations locales ($M_{BH}-M_*$) à $z=0$, grâce à l'autorégulation.
• Limites des modèles constants : Les modèles à couplage constant peuvent surestimer l'efficacité du feedback à haut taux d'accrétion, conduisant à une extinction prématurée des galaxies et à une sous-estimation de la masse des TN.
• Futur travail : Bien que les résultats soient prometteurs dans un contexte de galaxies idéalisées, la validation dans des simulations cosmologiques complètes est nécessaire, car les conditions environnementales (densité, métallicité, taux d'accrétion moyen) pourraient modifier la dépendance de $\eta$ par rapport à $\dot{m}$.

En conclusion, cette étude démontre que l'introduction d'une efficacité de couplage variable, basée sur la physique des vents UV, améliore la réalisme de l'autorégulation des trous noirs et offre un mécanisme plausible pour la croissance rapide des TN dans l'univers jeune, tout en maintenant des propriétés galactiques globales cohérentes avec les observations locales.