CosmoDRAGoN II：星系群和星系团环境中射电遗迹星系的三维流体动力学模拟研究

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：CosmoDRAGoN II: Remnant Radio Galaxies in Group and Cluster Environments

本刊编辑推荐：为揭示射电噪活动星系核（RLAGN）生命周期中遗迹阶段的动力学演化规律，研究人员开展了题为"CosmoDRAGoN II"的三维流体动力学模拟研究。通过模拟不同功率（Qj=1036-1038 W）的喷流在星系团和星系群环境中的演化，发现低密度环境中的遗迹瓣可保持超压状态长达100 Myr，高功率前身星的激波加热在遗迹阶段仍持续提供反馈。该研究为理解AGN反馈机制和遗迹星系观测特性提供了重要理论依据。

　　

在浩瀚宇宙中，活动星系核（AGN）犹如宇宙灯塔，通过相对论性喷流释放巨大能量。这些射电噪活动星系核（RLAGN）并非持续活跃，而是呈现周期性爆发特征。就像地质年代记录地球历史一样，射电遗迹星系保存着AGN活动"化石记录"，为研究AGN生命周期和反馈效应提供独特窗口。然而，由于遗迹阶段持续时间长（百万年尺度），且观测特征微弱，传统观测手段难以捕捉其完整演化过程。

当前研究面临三大挑战：首先，遗迹星系在观测中极为罕见，仅少数候选体被确认；其次，数值模拟多集中于高功率FR-II型源在理想化环境中的演化，缺乏对低功率源和复杂环境的研究；第三，分析模型通常假设喷流关闭后遗迹瓣立即进入惯性膨胀阶段，与实际情况可能存在偏差。正是这些空白促使Georgia S.C. Stewart团队在《Publications of the Astronomical Society of Australia》发表最新研究成果。

研究团队创新性地利用CosmoDRAGoN模拟套件，首次在宇宙学衍生环境中系统研究从活动到遗迹阶段的转变过程。他们选取THE THREE HUNDRED项目中的星系团和星系群环境，通过修改的PLUTO 4.3代码进行三维相对论流体动力学模拟。关键技术方法包括：采用Taub-Mathews状态方程和hllc黎曼求解器；设置五层分辨率网格（最高0.05 kpc/细胞）；通过内部边界条件实现双极锥形喷流注入；在源长达到20/60/180 kpc时终止喷流模拟遗迹阶段。模拟参数涵盖低功率（10³⁶ W）和高功率（10³⁸ W）喷流，相对论性（0.98c）和亚相对论性（0.01c）速度，窄（7.5°）和宽（25°）张开角组合。

3.1 射电源演化的总体特征

活动阶段模拟显示，低功率源在星系群环境中膨胀更宽，因中心密度和压力比星系团环境低一个量级。高功率源则在两个环境中均形成显著低密度（3-4 dex）瓣状结构，由瓣头终端激波的回流填充。

遗迹阶段演化50 Myr后，所有源的激波前缘逐渐与瓣分离并球对称化。低功率源中，喷流关闭后的尾随物质沿空腔通道继续运动，速度高于主体瓣等离子体。高功率源则因回流主导，瓣物质保持单一体积，后期出现瑞利-泰勒不稳定性导致的"掐缩"现象。

3.2 瓣动力学

低功率前身星研究表明，不同环境中的等效喷流模型以相似速率生长，星系群中较大的喷流半径导致动量通量在更大面积上耗散。20和60 kpc关闭的源在喷流停止后继续活动样膨胀近20 Myr，这段延迟由尾随喷流物质穿越瓣的时间决定。

高功率源在整个活动阶段显著超压且超音速膨胀。喷流主导的源在喷流停止后减速最迅速，而瓣主导的源呈现准自相似膨胀。压力分布显示，所有高功率遗迹在遗迹阶段仍保持超压状态，但中心网格区域压力低于初始分布。

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3.3 弓激波动力学

低功率源产生弱弓激波，遗迹阶段形状变化不大。高功率源则产生强弓激波，喷流关闭后逐渐与瓣分离并向球对称演化。最小关闭模拟中（20 kpc），激波区域半径在20 Myr内可达瓣半径的两倍。

4.2 浮力分析

研究通过L₂尺度分析发现，低功率源在星系团环境中在活动阶段就已达到压力平衡，而高功率源在遗迹阶段仍保持超压。计算显示，低密度环境中遗迹瓣的压力驱动阶段可延长至喷流关闭后100 Myr以上。低功率源瓣物质密度与环境接近，浮力效应显著；高功率源则因密度极低，浮力对前进速度影响较小。

2,rem are denoted by the triangle markers. The top panel shows cluster simulations and the bottom panel shows group simulations. For the large group simulations shown in the lower panel, the remnant length scale is larger than the grid size and hence, triangle markers are not shown. The cross marks indicate 2t_on and the grey shaded regions show the range of sound speeds in the ambient medium.'>

4.3 遗迹瓣和激波的加热作用

被动示踪剂分析显示，低功率源混合缓慢，主要发生在瓣基部；高功率源则快速混合，尤其瓣头部。温度比分析表明，高功率源激波温度比始终高于低功率源，支持强激波驱动是重要加热机制。激波与瓣显著分离使高功率源能在遗迹阶段持续各向同性加热周围环境。

本研究通过系统性数值模拟揭示了射电遗迹星系演化的关键规律：确认高功率前身星遗迹向球对称演化趋势，激波与瓣逐渐分离；验证分析模型在考虑膨胀历史时可准确描述宽张开角遗迹的演化；首次量化低密度环境中遗迹瓣超压状态的持久性（>100 Myr）；证实高功率遗迹通过弓激波加热在遗迹阶段持续提供反馈的重要机制。这些发现为理解AGN反馈的长期效应和遗迹星系观测特性提供了理论基础，将推动下一代射电巡天（如SKA）中遗迹星系的识别和研究。

研究还创新性地将Kaiser & Cotter（2002）分析模型与Turner & Shabala（2015）方法结合，通过微分方程考虑源历史膨胀的影响，显著改善了对瓣减速和激波分离的预测精度。这一方法论进步为未来遗迹星系的统计分析提供了新工具。