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

Probleemstelling

Actieve Galactische Kernen (AGN) feedback speelt een cruciale rol in de vorming en evolutie van sterrenstelsels, met name bij het onderdrukken van sterformatie in massieve sterrenstelsels. Echter, de huidige numerieke modellen voor AGN-feedback in kosmologische hydrodynamische simulaties gebruiken vaak vereenvoudigde, fenomenologische voorschriften. Een veelvoorkomende aanname is dat de koppelings-efficiëntie ($\eta$) – het fraction van de stralingsluminositeit dat wordt omgezet in kinetische energie van de wind – constant is, ongeacht de accretie-snelheid van het zwarte gat (ZG).

Observaties en theoretische modellen voor UV-lijn-gedreven winden (zoals ultra-fast outflows of UFO's) suggereren echter dat deze efficiëntie een machtsfunctie is van de Eddington-ratio ($\dot{m}$). Het ontbreken van deze fysica in simulaties kan leiden tot discrepanties tussen modellen en waarnemingen, zoals de aanwezigheid van overmassieve zwarte gaten op hoge roodverschuivingen.

Methodologie

De auteurs hebben hydrodynamische simulaties uitgevoerd van geïsoleerde, ideale schijfgalaxieën met een massa vergelijkbaar met die van de Melkweg.

• Code en Subgrid-fysica: De simulaties zijn uitgevoerd met de SWIFT-code, gebruikmakend van het COLIBRE-subgrid-fysicamodel. Dit model omvat stralingskoeling, chemie, stofvorming, sterformatie en feedback van sterren en zwarte gaten.
• Initiële Voorwaarden (IC's): Het systeem bestaat uit een statisch donkere-materie halo (Hernquist-profiel), een koude gasdisc, een sterdisc en een heet Circumgalactisch Medium (CGM). Een belangrijk aspect is dat het CGM in dynamisch evenwicht is gebracht in een niet-sferisch potentieel voordat de simulatie startte.
• Nieuw Feedback-model: In plaats van een constante koppelings-efficiëntie, implementeerden de auteurs een nieuw thermisch feedback-model waarbij $\eta$ varieert als een machtsfunctie van de Eddington-ratio:
  $$\eta = \min\{N_\eta \dot{m}^{\alpha_\eta}, 1\}$$
  Hierbij is $N_\eta$ de normalisatie en $\alpha_\eta$ de helling. De parameters zijn gebaseerd op voorspellingen van het Qwind-model (Quera-Bofarull et al. 2023) voor UV-lijn-gedreven winden.
• Variatie in parameters: De auteurs varieerden de massa van het superzware zwarte gat (ZG) ($M_{BH}$ van $10^6$ tot $10^9 M_\odot$) en de parameters van het koppelings-model ($N_\eta$ en $\alpha_\eta$) om hun invloed te testen.
• Vergelijking: De resultaten werden vergeleken met een standaard model met een constante efficiëntie ($\eta = 0.05$) en een "SN-only" run (zonder AGN-feedback).

Belangrijkste Bijdragen

1. Implementatie van variabele efficiëntie: Voor het eerst wordt een op waarnemingen en theoretische windmodellen gebaseerde variabele koppelings-efficiëntie geïntegreerd in een hydrodynamische code voor galaxievorming.
2. Zelfregulatie van ZG's: Het model toont aan dat variabele efficiëntie leidt tot een sterkere zelfregulatie van het zwarte gat. Als de accretie daalt door feedback, daalt ook de efficiëntie, waardoor het gat minder energie injecteert en gas kan terugvallen om de accretie te handhaven.
3. Rol van het CGM: De studie benadrukt het belang van het inklappen van een heet CGM in ideale simulaties om de lange-termijnvoeding van het zwarte gat en de sterformatie realistisch te houden.

Resultaten

• Invloed van Variabele Parameters: Voor een vaste ZG-massa hebben variaties in de normalisatie ($N_\eta$) en helling ($\alpha_\eta$) van het koppelings-model slechts bescheiden effecten op de eigenschappen van het sterrenstelsel (zoals sterformatie-snelheid en totale massa). Dit wijst op een sterke zelfregulatie in het COLIBRE-model.
• Zelfregulatie en Groei: Het variabele model resulteert in een lagere gemiddelde koppelings-efficiëntie en een hogere accretie-snelheid vergeleken met het constante model. Dit leidt tot snellere groei van het zwarte gat. Dit is relevant voor het verklaren van de aanwezigheid van overmassieve zwarte gaten op hoge roodverschuivingen.
• Invloed van ZG-massa: De massa van het zwarte gat is de dominante factor. Zwaardere zwarte gaten leiden tot sterkere feedback, snellere onderdrukking van sterformatie (quenching) en grotere uitstroom van gas.
• Uitstroomgedrag:
  • Het constante model produceert aanvankelijk sterkere uitstromen en creëert grotere holtes in het koude gas.
  • Het variabele model toont meer aanhoudende activiteit en behoudt meer gas in het centrum op latere tijdstippen.
  • Uitstromen zijn voornamelijk polair (langs de as), terwijl equatoriale gebieden vaak instromend zijn (galactische fontein-effecten).
• Energiebalans: Thermische energie domineert de totale uitstroomkracht (ongeveer 70-80%), zelfs in het geval van kinetisch gedreven winden, omdat de winden op subgrid-schaal schokken en thermiseren.
• Invloed van CGM: Simulaties zonder CGM tonen aan dat het ontbreken van een reservoir voor koelgas leidt tot een snelle uitputting van de brandstof voor het zwarte gat en een drastische daling van de feedback-activiteit na ~1,7 Gyr.

Significantie en Conclusie

De studie concludeert dat het implementeren van een variabele koppelings-efficiëntie, gebaseerd op fysica van UV-lijn-gedreven winden, leidt tot een verbeterde zelfregulatie van superzware zwarte gaten zonder de globale eigenschappen van het sterrenstelsel (zoals de totale sterrenmassa) drastisch te veranderen ten opzichte van constante modellen.

• Belangrijkste implicatie: Variabele efficiëntie kan helpen het probleem van overmassieve zwarte gaten op hoge roodverschuivingen op te lossen door snellere groei toe te staan in vroege fasen, terwijl het systeem zich toch stabiliseert.
• Toekomstperspectief: Hoewel de resultaten veelbelovend zijn in ideale simulaties, is verdere onderzoek in volledige kosmologische context nodig om te bepalen of deze trends standhouden en hoe ze de $M_{BH} - M_*$ relatie op $z=0$ beïnvloeden. De auteurs waarschuwen dat de uitkomsten sterk kunnen variëren afhankelijk van de initiële condities en de subgrid-fysica.