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The effect of AGN feedback on baryonic and dark matter properties of simulated, massive galaxies
Horst Foidl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomie
Betreuer*in
Michaela Hirschmann
Mitbetreuer*in
Tanja Rindler-Daller
DOI
10.25365/thesis.61591
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21512.47310.302373-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In unserem momentanen Verständnis des Universums, wird die Entwicklung großskaliger Strukturen durch die hierarchische Bildung von Halos aus Dunkler Materie (DM) dominiert und wird im Rahmen der $\Lambda$CDM-Kosmologie gut erklärt. In diesem Kontext erfolgt die Entwicklung von Galaxien in einem zweistufigen Prozess: zuerst bilden sich DM Halos, in deren Potentialtöpfe Gas einströmt, kondensiert, abkühlt und Sterne bildet, woraus in der Folge Galaxien hervorgehen. Anfangs versuchte man mit rein analytischen Ansätzen die Theorie der Entwicklung von DM Halos, allein über deren gravitative Wechselwirkung, zu verstehen. Jedoch waren ausgefeiltere Verfahren notwendig, um komplexe und stark vernetzte baryonische Prozesse, wie die Dynamik des Gases, aufheizen und kühlen von Gas, Sternbildung etc., in die Modelle zu integrieren. Dank der enormen Steigerung an Rechenleistung und der Verbesserung numerischer Methoden in den letzten 20-30 Jahren, wurden numerische Simulationen zu einem wichtigen Werkzeug, um ein tiefes Verständnis zu erlangen, welche physikalischen Prozesse die Entwicklung von Galaxien bestimmen. Beispielsweise zeigten die Vorhersagen aus Modellen und Simulationen vor 10 bis 15 Jahren unrealistisch massive Galaxien: im Vergleich zu Beobachtungen, waren diese nicht nur zu massiv und zu kompakt, sondern besaßen auch eine zu junge Sternpopulation und zeigten oft eine scheibenförmige Gestalt. Seit dieser Zeit, zeigten Simulationen immer wieder, dass eine zusätzliche Energiequelle, ausgehend von akkretierenden supermassiven Schwarzen Löchern (BHs) im Zentrum der Galaxien, notwendig ist, um die Diskrepanzen zwischen Simulationen und Beobachtungen zu lösen. Tatsächlich motivieren Beobachtungen von Feedback-Prozessen akkretierender Schwarzer Löcher (sogenannter active galactic nuclei, AGN), im Form von Aufheizen von Gas, Ausströmungen von Gas aus den Galaxien und Jets, als diese Energiequelle. Trotz der steigenden Zahl an Beobachtungen von AGN Feedback, können diese keinen klaren Beweis liefern, ob und in welcher Weise AGN Feedback die baryonischen und DM Eigenschaften von Galaxien beeinflusst, wodurch weitere Studien mit modernen kosmologischen hydrodynamischen Simulationen notwendig sind.
Im Speziellen untersucht diese Arbeit den Effekt von AGN Feedback auf die Beziehung zwischen baryonischen und DM Eigenschaften von massiven Galaxien, wie den DM Anteil vs. stellarer Masse, vs. Galaxien-Größe und vs. radialen Dichteprofilen, sowie die Entwicklung von Galaxien-Größe vs. DM Halo-Größe im Laufe der kosmischen Zeit, inklusive einem Vergleich zu Beobachtungen und früheren Simulationsergebnissen in der Literatur. Um eine konsistente Quantifizierung des Effektes von AGN Feedback auf die Eigenschaften von Galaxien zu ermöglichen, nutzt die Analyse zwei Datensätze von kosmologischen Zoom-In Simulationen, bestehend aus jeweils 20 massiven Halos, basierend auf identischen Anfangsbedingungen, welche in zwei verschiedenen Läufen mit und ohne Berücksichtigung von AGN Feedback (die CosmoZoom Simulationen) generiert wurden. Damit geht diese Arbeit bedeutend über vorangegangene Arbeiten zu diesem Thema hinaus, wo zumeist großskalige kosmologische Simulationen, inkludierend AGN Feedback, untersucht wurden (wie z.B. Magneticum oder IllustrisTNG).
Generell bestätigen die CosmoZoom Simulationen frühere Ergebnisse, in der Art, dass massive Galaxien im heutigen Universum, simuliert ohne Berücksichtigung von AGN Feedback, zu große stellare Massen besitzen und oft eine Scheibenstruktur aufweisen, wohingegen Simulationen mit AGN Feedback ziemlich gut realistische massive elliptische Galaxien vorhersagen. Die Analyse zeigt weiters auf, dass der zentrale DM Anteil von massiven Galaxien mit steigender stellarer Masse zunimmt und, dass für eine gegebene stellare Masse, der DM Anteil durch AGN Feedback signifikant erhöht wird (als eine Folge von ausgestoßenem Gas und der Unterdrückung von zentraler Sternbildung in späten Phasen) und konsistenter mit Beobachtungen aus SLACS und SPIDER Surveys ist, als ohne AGN Feedback. Es wurde ebenso gefunden, dass der zentrale DM Anteil stark mit der Steigung des Dichteprofils gekoppelt ist: interessanter Weise, obwohl AGN Feedback den DM Anteil erhöht und das Dichteprofil abflacht, hängt, die sich ergebende Relation, nicht von diesem physikalischen Prozess ab und ist mit Beobachtungsbefunden aus der Literatur konsistent. Abschließend sagen die CosmoZoom Simulationen eine lineare Beziehung zwischen dem stellaren Halbmassen-Radius von Galaxien und dem Virialradius von DM Halos vorher. Aber nur mit AGN Feedback sind die Galaxien, für einen gegebenen Virialradius, groß genug, um mit Beobachtungsdaten, welche mittels der abundance matching Methode gewonnen wurden, übereinzustimmen (aufgrund adiabatischer Expansion, sowie der Akkretion von Sternen via minor mergers). Ungeachtet des Erfolges des entwickelten AGN Feedback Modells, werden weitere Beobachtungsdaten (z.B. hin zu höheren Rotverschiebungen) benötigt, um die AGN Feedback Modelle (und möglicherweise auch die Natur der Dunklen Materie) weiter verfeinern zu können.
Abstract
(Englisch)
In our current understanding of the Universe, the evolution of the large-scale structure, governed by the hierarchical assembly of dark matter (DM) halos, is well described within the framework of a LCDM cosmology. In this context, the evolution of galaxies takes place in a two-stage process: first, DM halos assemble and then, gas falls into their potential wells, condensates, cools and forms stars so that galaxies can emerge. Initially, pure analytic approaches were made to theoretically capture the evolution of DM halos (solely interacting via gravity), but more sophisticated techniques were required to model the complex and heavily intertwined baryonic processes, such as gas dynamics, gas cooling and heating, star formation etc. Thanks to the tremendous increase of computational power and improvement of numerical methods over the past 20-30 years, numerical simulations became an important tool to develop a deep understanding of which physical processes drive the evolution of galaxies. As an example, model and simulation predictions, performed 10 to 15 years ago, largely predicted unrealistic massive galaxies: they were not only too massive and too compact, but also had too young stellar population and often too disc-like morphologies compared to observations. Since then, simulations have repeatedly shown that accounting for an additional energy source from accreting supermassive black holes (BHs), residing in the centres of galaxies, is necessary to ease the described tensions of massive galaxies with observations. In fact, feedback from accreting BHs (appearing as active galactic nuclei, AGN), in terms of gas heating, gas outflows and jets, has been motivated by various multi-wavelength observations over the past decade. Despite this increasingly large amount of observational evidence for AGN feedback, observations still lack a clear smoking gun if and to what extent this physical process affects the evolution of baryonic and DM properties in galaxies though, requiring further detailed studies with modern cosmological hydrodynamic simulations.
Specifically, this thesis investigates the effect of AGN feedback on the relation of baryonic and DM properties of massive galaxies, such as DM fractions vs galaxy stellar masses, vs galaxy sizes and vs density profiles as well as galaxy sizes vs halo sizes over cosmic time, comparing them to observations and to previous simulations results in literature. To enable a self-consistent quantification of the effect of AGN feedback on these galaxy properties, this analysis takes advantage of two sets of cosmological zoom-in simulations of 20 massive halos, based on the same initial conditions, but ran with and without AGN feedback (CosmoZoom simulations). Thus, this study goes significantly beyond previous work on this topic, where mostly large-scale cosmological simulations, including AGN feedback, were employed (such as Magneticum, IllustrisTNG).
In general, the CosmoZoom simulations confirm earlier findings in the sense that massive galaxies in the present-day Universe, run without AGN feedback, are too compact, have too high stellar masses, and have often a too disk-like morphology, whereas runs with AGN feedback are shown to predict fairly realistic massive elliptical-like galaxies. The analysis further illustrates that central DM fractions of massive galaxies increase towards higher stellar masses, and that at a given stellar mass, DM fractions are significantly increased due to AGN feedback (as a consequence of blown out gas and reduced late central star formation), more consistent with observations from the SLACS and SPIDER surveys than DM fractions in NoAGN galaxies. Central DM fractions are also found to be closely related to the slope of the total density profile: interestingly, even if DM fractions are increased and density profiles are flattened by AGN feedback, the emerging relation does not depend on this physical process and is consistent with observational constraints available from literature. Finally, the CosmoZoom simulations predict a linear relation between galaxy sizes (half-mass radius) and halo sizes (virial radius), but only with AGN feedback, at a given virial radius, galaxy sizes are large enough to be consistent with abundance matching data (due to adiabatic expansion as well as accretion of stars via minor mergers). Despite the success of the adopted AGN feedback model, further observational data (e.g., extending them towards higher redshifts) are necessary to put stronger constraints on AGN feedback models (& potentially also the nature of DM).
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
extrgalactic astronomy cosmology structure formation zoom-in simulation
Schlagwörter
(Deutsch)
extragalaktische Astronomie Kosmologie Strukturbildung Zoom-In Simulationen
Autor*innen
Horst Foidl
Haupttitel (Englisch)
The effect of AGN feedback on baryonic and dark matter properties of simulated, massive galaxies
Paralleltitel (Deutsch)
Der Effekt von AGN Feedback auf baryonische und Dunkle Materie Eigenschaften von massiven simulierten Galaxien
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
v, 128 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Michaela Hirschmann
Klassifikation
39 Astronomie > 39.41 Extragalaktische Systeme, Galaxien
AC Nummer
AC16085410
Utheses ID
54436
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |