星系合并中AGN反馈与多相ISM的相互作用：基于SMUGGLE高分辨率模拟的探索

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：AGN feedback in merging galaxies with a SMUGGLE multiphase ISM

本研究针对星系合并过程中活动星系核（AGN）反馈与多相星际介质（ISM）的耦合机制这一关键问题，通过高分辨率流体动力学模拟（采用SMUGGLE多相ISM模型和超拉格朗日网格细化技术），系统研究了不同星系类型（银河系类似体、Sbc型和SMC类似体）中AGN驱动的高速星风对星系演化的影响。研究发现AGN反馈的有效性高度依赖于星系动力学环境、气体形态和恒星反馈强度，特别是在低质量黑洞（<105 M⊙）的矮星系中，黑洞游荡效应导致吸积和反馈效率显著降低。该成果对理解高红移类星体形成和LISA引力波事件率具有重要启示，发表于《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》。

　　

在宇宙的宏大图景中，星系并合是塑造星系演化的重要驱动力。当两个星系相互靠近、最终融合时，剧烈的引力相互作用会触发星暴活动，并将大量气体推向星系中心。这些气体如何滋养位于星系核心的超大质量黑洞（Supermassive Black Hole, SMBH），而黑洞在“进食”过程中释放的巨大能量——即活动星系核（Active Galactic Nucleus, AGN）反馈——又如何反过来影响其宿主星系，是星系天文学领域一个长期备受关注的核心问题。

传统理论认为，星系合并是触发最明亮类星体的关键环节。然而，观测研究对此莫衷一是，有些研究甚至发现合并活动与AGN活动之间并无明确关联。另一方面，在数值模拟研究中，由于计算能力的限制，以往的大尺度宇宙学模拟往往无法解析AGN反馈与星际介质（Interstellar Medium, ISM）耦合的关键尺度（通常在10-100秒差距）。此外，许多模拟采用简化的ISM模型，使得气体分布过于平滑，难以捕捉真实宇宙中多相、团块状ISM的复杂动力学，这可能导致对黑洞吸积和反馈效应的估计出现偏差。

为了突破这些局限，由Aneesh Sivasankaran领导的研究团队开展了一项创新性的研究。他们利用先进的流体动力学代码AREPO，结合名为SMUGGLE的恒星形成与多相ISM模型，对星系合并过程进行了高分辨率模拟。特别值得一提的是，他们采用了一种超拉格朗日网格细化技术，将AGN反馈区域的解析度提升至10-100秒差距量级，并引入了一个亚网格级的动力学摩擦模型，以更精确地追踪超大质量黑洞在合并过程中的运动轨迹。研究人员聚焦于三种不同类型的星系：类似我们银河系的星系（Milky Way analog, MW）、类似Sbc型的星暴星系（Sbc-type galaxy）以及类似小麦哲伦云的低质量矮星系（Small Magellanic Cloud analog, SMC），系统比较了在孤立演化和并合演化两种情景下，AGN反馈的效应有何不同。这项研究旨在深入揭示合并动力学、黑洞吸积、反馈以及恒星形成之间复杂的相互作用，其成果发表于天文领域权威期刊《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》。

本研究主要依赖于几种关键的数值模拟与物理模型方法。首先是AREPO移动网格流体动力学代码，用于求解宇宙流体力学方程。核心物理模型是SMUGGLE（Stars and MUltiphase Gas in GaLaxiEs），它显式地模拟了星际介质的多种物理过程，包括低温和高温气体的冷却与加热、基于随机采样的恒星形成、以及超新星爆发、辐射反馈等多种恒星反馈过程。对于黑洞物理，研究采用了爱丁顿限流的邦迪-霍伊尔（Bondi-Hoyle）吸积公式来计算黑洞吸积率，并模拟了以0.1倍光速传播的快速核区星风作为AGN反馈模式。为了解决星系尺度模拟中无法解析动力学摩擦导致的黑洞非物理“游荡”问题，研究团队引入了基于离散求和方法的亚网格动力学摩擦处方。此外，还采用了以黑洞为中心的超拉格朗日网格细化技术，显著提高了黑洞附近气体的质量分辨率。研究所用的初始条件包括三种经过弛豫的、理想化的星系模型（MW, Sbc, SMC），并让两个相同的星系在抛物线轨道上发生并合。

3.1 BH dynamics

模拟结果首先揭示了黑洞动力学在合并过程中的演变。在MW和Sbc合并中，得益于亚网格动力学摩擦模型，黑洞能够较好地保持在星系核区附近，其偏移距离通常在100秒差距以内。然而，在星暴活动强烈的时期，增强的恒星反馈会加剧星际介质的湍流，导致黑洞位置的波动性暂时增大。与之形成鲜明对比的是SMC矮星系合并。由于黑洞质量较小（初始仅为5×10⁴ M_⊙）且星系引力势阱较浅，动力学摩擦效率极低，黑洞表现出显著的“游荡”现象。在合并后的残骸中，合并后的黑洞偏离星系中心可达2千秒差距之远。这种物理上的游荡对黑洞的吸积和后续反馈产生了决定性影响。

3.2 BH mass growth

黑洞的质量增长与上述动力学行为紧密相关。研究发现，MW和Sbc合并中的黑洞质量增长显著高于其孤立演化 counterparts，分别增强了3.3倍和2.0倍。合并过程中周期性发生的近心点通道和最终并合事件，通过引力扭矩驱动气体向内流动，为黑洞提供了丰富的“燃料”，使其吸积率（爱丁顿比）频繁达到爱丁顿极限。而在SMC合并中，情况则完全不同。黑洞在合并后长期的游荡使其远离了气体密度最高的星系中心区域，导致吸积率极低，最终合并后的黑洞质量甚至比两个孤立演化的SMC黑洞质量之和还要低20%。这表明，在矮星系中，黑洞游荡是抑制其增长的一个重要机制。

3.3 Gas morphology evolution

星系合并极大地改变了气体的形态。原本具有薄盘结构的MW星系，在经历第一次近心点通道后，气体盘受到强烈扰动，尺度高度从约0.2千秒差距显著增厚至峰值超过2千秒差距，平均尺度高度增至0.59千秒差距。这种从薄盘到厚盘或无规则形态的转变，根据团队此前对孤立星系的研究，有利于AGN反馈能量更有效地与星际介质耦合。相比之下，原本就具有较厚气体盘、恒星形成活动剧烈的Sbc和SMC星系，其盘结构在合并过程中虽然波动增大，但平均尺度高度变化相对不那么显著。

3.4 Stellar vs AGN feedback

AGN反馈能否对宿主星系产生显著影响，取决于其与核区恒星反馈（主要是超新星）的能量对比。在MW合并中，AGN反馈注入的能量始终高于核区超新星反馈，累积能量可达后者的5倍，这使得AGN占据了主导地位。在Sbc合并中，情况则分为两个阶段：在合并初期及并合阶段，AGN与恒星反馈能量相当；但在并合后（约1.7 Gyr后），随着恒星形成减弱，AGN反馈能量超越恒星反馈，成为主导。而在SMC合并中，由于黑洞吸积率低，AGN反馈能量始终较弱，甚至略低于恒星反馈。这种能量对比的差异，直接决定了AGN反馈在三种星系中截然不同的表现。

3.5 Star formation rates

AGN反馈对恒星形成率（Star Formation Rate, SFR）的抑制（即“淬熄”）效果因星系类型和合并阶段而异。在MW合并中，AGN反馈使得总恒星形成量比无反馈的合并模拟减少了约40%，淬熄效果显著强于孤立星系（26%）。这种抑制在第二次近心点通道前和最终并合后尤为明显。然而，在并合事件发生的瞬间，强烈的星暴活动产生的恒星反馈能量超过了AGN反馈，导致AGN的淬熄作用暂时被“淹没”。在Sbc合并中，AGN反馈的淬熄效应主要出现在并合之后，导致SFR急剧下降至接近零。而对于SMC合并，由于AGN反馈本身很弱，其对恒星形成的影响微乎其微。

3.6 Outflow rates

AGN反馈在驱动星系外流（Galactic Outflow）方面展现出独特特征。在MW合并中，AGN反馈主要驱动的是高速（>3倍星系维里速度）和高温（T > 10⁴ K）的气体外流。与单纯由恒星反馈驱动的外流相比，AGN反馈产生的外流在速度中间段（2-3倍维里速度）和高温段（T > 10⁷ K）更为持续和强大。特别是在第二次近心点通道前和并合后阶段，当恒星形成率较低时，AGN反馈是维持高速外流的主要机制。而在Sbc合并中，AGN对星风的增强效应仅在并合后才变得显著。在SMC合并中，则几乎观测不到AGN反馈对星风的任何额外贡献。一个普遍现象是，在最终并合时刻，强烈的星暴使得恒星反馈驱动的外流在短期内与AGN反馈驱动的外流同样强大甚至更强。

3.7 Outflow phase structure

对高速外流气体相结构的分析显示，在MW合并中，AGN反馈驱动的外流主要由高温低密气体组成。只有在最终并合等气体形态极度扰动的时期，才会有少量冷而密的气体被裹挟进入外流。这与Sbc和SMC星系中，由于本身气体盘较厚，外流中经常能观察到冷气体成分的情况不同。研究再次强调，AGN反馈的效应并非一成不变，在星暴极其强烈的合并阶段（如并合瞬间），其效应会被恒星反馈所掩盖。

本研究通过一系列高精度的数值模拟，深刻揭示了星系合并环境中AGN反馈的复杂性和多样性。研究结论强化了团队此前基于孤立星系研究的发现：AGN反馈的有效性并非由单一因素决定，而是黑洞光度、黑洞动力学、气体形态以及局域恒星反馈强度等多个因素共同作用的结果。这些因素在合并过程中的演化，决定了AGN反馈在何时、以何种方式对宿主星系产生显著影响。

该研究的发现具有重要的天体物理学意义。首先，它表明经典的“合并驱动类星体并引发反馈爆发”的图景可能过于简化。在真实的、充满团块的多相ISM中，合并对AGN的触发和反馈的耦合效率具有高度的系统依赖性和时变性。其次，研究揭示的低质量黑洞在矮星系中显著的游荡现象，对理解宇宙早期黑洞种子的增长和当代矮星系中黑洞的观测提出了挑战。如果低质量黑洞普遍难以定位于星系中心并进行有效吸积，那么这将可能降低空间引力波探测器（如LISA）观测到的黑洞并合事件率，同时也为解释詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）在红移z~7-10发现的高光度类星体的快速形成机制增加了一个新的难题。总之，这项工作强调了在星系演化模型中自洽地处理多相ISM物理、黑洞动力学和反馈过程的重要性，为未来在宇宙学背景下研究星系与黑洞共演化提供了更可靠的数值实验框架。