星系形成宇宙学数值模拟中黑洞反馈模型的研究

Feedback from black hole accretion is believed to play an important role in the formation of galaxies especitally the massive ones. With increased computational power and large progress in black hole physics, recent large-scale cosmological simulations have been able to simulate the impact of black hole feedback on galaxy formation. However, large dynamic range limits their ability to resolve the physical processes around a black hole. Sub-grid models are therefore used to give a coarse-grained and often simplified description to those processes. In this project we aim at developing a new black hole sub-grid physical model based on the most updated studies on black hole physics, which includes both cold and hot accretion as well as their radiation and wind feedback. It is expected to provide a more realistic description than its previous counterparts and to shed more light on the co-evolution of black holes and their host galaxies.

黑洞的吸积和反馈被认为是影响星系、尤其是大质量星系形成的重要物理过程。随着计算机运算能力的提高和黑洞物理模型的发展，近些年已出现一些包括简单黑洞吸积和反馈的宇宙学数值模拟，受分辨率所限，黑洞物理只能用亚网格(subgrid)模型进行“粗粒化”(coarse-grained)描述，比较简化和单一,模拟效果距离真实物理较远。本项目将利用黑洞物理的最新研究成果构建一个全新的黑洞亚网格模型，包括了冷、热两种吸积模式及由其驱动的辐射和风反馈。与以前的同类模型相比，这个新模型能够更真实地模拟黑洞的吸积活动和反馈效果。本项目将用这个新模型在宇宙尺度上研究黑洞吸积和反馈对星系恒星形成和黑洞自身质量增长的影响。本项目的实施将改善宇宙数值模拟在黑洞物理模拟方面的表现，为深入理解黑洞与星系的协同演化和黑洞的自我调节演化打下基础。

本项目利用黑洞物理的最新研究成果首次构建了一个适用于宇宙数值模拟的全新的黑洞亚网格模型，在模拟中实现了包括冷、热两种吸积模式及由其驱动的辐射和风两种能量反馈过程。应用此模型的宇宙数值模拟能够复原观测到的星系质量函数、黑洞质量函数、宇宙恒星形成历史以及黑洞和宿主星系的一些相关关系。本项目利用模拟提供的黑洞样本，针对黑洞能量反馈对星系恒星形成和黑洞质量增长的影响，在宇宙学空间和时间尺度上展开比较研究。我们发现风反馈能够提高并且剧烈扰动黑洞周围气体的熵，对星际气体的恒星形成活动有持续性抑制作用，造成星系总体质量偏低。相较于辐射反馈，风反馈能有效驱散气体，显著降低星系群和星系团的气体质量占比。但风反馈发生频率相对较低，这使黑洞能以较高效率增长质量，过早形成大质量黑洞，出现较低质量的星系中心存在大质量黑洞现象，使黑洞和宿主星系的相关关系偏离观测预期。这些探索性研究为进一步深入理解黑洞与宿主星系的协同演化奠定了基础。