Cosmological Gas Accre/on @ z=2 (with: Hernquist, Kere, - - PowerPoint PPT Presentation

Cosmological ¡Gas ¡Accre/on ¡@ ¡z=2 ¡

(with: ¡Hernquist, ¡Kereš, ¡Nelson, ¡Sijacki, ¡Springel, ¡Vogelsberger) ¡

& ¡ Accre/on-­‑driven ¡Turbulence ¡in ¡Disks ¡

(with: ¡Cacciato, ¡Dekel) ¡

Shy ¡Genel ¡(ITC-­‑Harvard) ¡

Outline ¡

• ¡Following ¡gas ¡flow ¡in ¡Arepo ¡with ¡tracer ¡par/cles ¡
• ¡Gas ¡accre/on ¡onto ¡galaxies ¡at ¡z=2 ¡
• ¡Accre/on ¡as ¡a ¡turbulence-­‑driver ¡and ¡implica/ons ¡

Tracer ¡par/cles ¡in ¡Arepo ¡

Velocity ¡field ¡tracers: ¡ Monte ¡Carlo ¡tracers: ¡

circle mesh point search tracer particle field velocity mass fluxes tracer

Genel ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡ Vogelsberger ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

Tracer ¡par/cles ¡in ¡Arepo ¡– ¡uniform ¡flow ¡

0.2 0.39 0.59 0.78 0.98 1.2

Fixed ¡mesh: ¡ Moving ¡mesh: ¡ Velocity ¡field ¡tracers ¡ Monte ¡Carlo ¡tracers ¡

10

1

10

2

10

3

10

−6

10

−5

10

−4

10

−3

10

−2

10

−1

10 k kE(k)

gas 100 MC tracers/cell 10 MC tracers/cell 1 MC tracer/cell 1 velocity field tracer/cell 10 velocity field tracers/cell Kolmogorov

Tracer ¡par/cles ¡in ¡Arepo ¡– ¡turbulence ¡

Density ¡power ¡spectrum ¡ Driven ¡isothermal ¡turbulence ¡(Bauer ¡& ¡Springel ¡2012), ¡128^3 ¡cells ¡

−0.2 −0.1 0.1 0.2 0.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 x 10

4

log10() gas 10 MC tracer/cell 1 MC tracer/cell velocity field tracers

Density ¡PDF ¡

Tracer ¡par/cles ¡in ¡Arepo ¡– ¡halo ¡centers ¡

Velocity ¡field ¡tracers ¡ Monte ¡Carlo ¡tracers ¡

Accre/on ¡bimodality? ¡

Kereš ¡et ¡al. ¡2009 ¡ Ocvirk ¡et ¡al. ¡2008 ¡ Dekel ¡et ¡al. ¡ 2009 ¡ Kereš ¡et ¡al. ¡2005 ¡

Do ¡cold ¡streams ¡reach ¡the ¡galaxy? ¡

Kereš ¡et ¡al. ¡2009 ¡ Ceverino ¡et ¡al. ¡2009 ¡ Agertz ¡et ¡al. ¡2009 ¡

Maximum ¡past ¡temperature ¡of ¡galaxy ¡gas ¡

• ¡Both ¡codes ¡

show ¡bimodality ¡

• ¡With ¡Gadget, ¡

‘cold ¡mode’ ¡ dominates ¡

• ¡With ¡Arepo, ¡

‘hot ¡mode’ ¡ dominates ¡

• ¡Agreement ¡at ¡M<1010.5Msun: ¡Tmax ¡≈ ¡Tvir ¡
• ¡At ¡M>1010.5Msun: ¡ ¡

Nelson, ¡Vogelsberger, ¡SG ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

Cold ¡mode ¡frac/on ¡of ¡galaxy ¡gas ¡

• ¡For ¡a ¡fixed ¡

Tc=105.5K ¡cut: ¡ ‘transi/on ¡mass’ ¡ where ¡Tvir(M)≈Tc ¡ – ¡no ¡‘cold ¡ accre/on’ ¡where ¡ Tvir>>Tc ¡ ¡

• ¡For ¡a ¡hot/cold ¡cut ¡at ¡Tvir: ¡gradual ¡transi/on ¡from ¡cold-­‑

dominated ¡to ¡hot-­‑dominated ¡at ¡1010<M[Msun]<1012

¡

10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 Mhalo [ log h−1 Msun ] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Cold Fraction 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 Mhalo [ log h−1 Msun ] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Cold Fraction

Tmax < 1.0 Tvir,acc Tmax < Tc = 105.5 K

Nelson, ¡Vogelsberger, ¡SG ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

Possible ¡origins ¡of ¡differences ¡

• ¡With ¡Arepo, ¡some ¡

streams ¡heat ¡up ¡

• ¡SPH ¡‘cold ¡blobs/

drizzle’ ¡

• ¡Spurious ¡hea/ng ¡

by ¡dissipa/on ¡of ¡ turbulence ¡in ¡SPH ¡

Nelson, ¡Vogelsberger, ¡SG ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

Possible ¡origins ¡of ¡differences ¡

Torrey ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

• ¡With ¡Arepo, ¡some ¡

streams ¡heat ¡up ¡

• ¡SPH ¡‘cold ¡blobs/

drizzle’ ¡

• ¡Spurious ¡hea/ng ¡

by ¡dissipa/on ¡of ¡ turbulence ¡in ¡SPH ¡

Possible ¡origins ¡of ¡differences ¡

• ¡With ¡Arepo, ¡some ¡

streams ¡heat ¡up ¡

• ¡SPH ¡‘cold ¡blobs/

drizzle’ ¡

• ¡Spurious ¡hea/ng ¡

by ¡dissipa/on ¡of ¡ turbulence ¡in ¡SPH ¡

(Bauer ¡& ¡Springel ¡2012) ¡

Vogelsberger ¡et ¡al. ¡2012 ¡

• ¡With ¡Arepo, ¡some ¡

streams ¡heat ¡up ¡

• ¡SPH ¡‘cold ¡blobs/

drizzle’ ¡

• ¡Spurious ¡hea/ng ¡

by ¡dissipa/on ¡of ¡ turbulence ¡in ¡SPH ¡

(Bauer ¡& ¡Springel ¡2012) ¡

Possible ¡origins ¡of ¡differences ¡

Kereš ¡et ¡al. ¡2012 ¡ Vogelsberger ¡et ¡al. ¡2012 ¡

Does ¡temperature ¡even ¡mamer? ¡

• ¡Accre/on ¡rate ¡remains ¡high(er) ¡
• ¡Issues ¡possibly ¡more ¡important ¡than ¡temperature ¡are: ¡
• ¡Shocked ¡/ ¡non-­‑shocked? ¡
• ¡Collimated ¡/ ¡spherical? ¡
• ¡Clumpy ¡/ ¡smooth? ¡
• ¡How ¡much ¡angular ¡momentum? ¡

h"p://www.cfa.harvard.edu/itc/research/movingmeshcosmology/ ¡

Genel ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡ Sijacki ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡ Vogelsberger ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

The ¡Illustris ¡Project ¡

• ¡(75Mpc/h)^3 ¡box ¡with ¡2*1820^3 ¡resolu/on ¡elements ¡
• ¡M>1014Msun ¡halos ¡@ ¡z=0, ¡resolving ¡down ¡to ¡M≈108Msun ¡
• ¡WMAP-­‑7 ¡cosmology ¡

 ¡DM-­‑only ¡run: ¡done ¡

Genel ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡ Sijacki ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡ Vogelsberger ¡et ¡al. ¡in ¡prep. ¡

Illustris ¡galaxy ¡forma/on ¡physics ¡

• ¡Star ¡forma/on ¡and ¡evolu/on: ¡mass ¡loss, ¡SN ¡rates ¡
• ¡Chemical ¡enrichment ¡following ¡9 ¡elements ¡
• ¡Primordial ¡+ ¡metal ¡line ¡cooling ¡
• ¡UV/X-­‑ray ¡cosmic ¡background ¡+ ¡AGN ¡proximity ¡effects ¡
• ¡Galac/c ¡winds ¡
• ¡BH ¡growth, ¡quasar ¡& ¡radio-­‑mode ¡

feedback ¡

Quasi-­‑steady ¡state ¡disks ¡

Self-­‑regula/on ¡to ¡a ¡mass ¡quasi-­‑steady ¡state ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ driven ¡by ¡cosmological ¡accre/on: ¡ ˙ Mg = ˙ Mcosmo − ˙ Msink ˙ Msink = Mgτ −1 Mg ≈ ˙ Mcosmoτ ˙ Mg ≈ 0 ˙ MSFR = Mgt−1

SF

˙ MSFR = ˙ Mcosmo

and: ¡

Mg = ˙ McosmotSF

See ¡also ¡Bouché+ ¡2010; ¡Elmegreen ¡& ¡Burkert ¡2010; ¡Davé+ ¡2011 ¡

˙ Eσ ≈ 0 Eσ = ˙ Ecosmotdis ˙ Edis = ˙ Ecosmo Eσ ≈ ˙ Ecosmoτ ˙ Eσ = ˙ Ecosmo − ˙ Esink ˙ Esink = Eστ −1

Quasi-­‑steady ¡state ¡disks ¡

Self-­‑regula/on ¡to ¡a ¡turbulent ¡energy ¡quasi-­‑steady ¡state ¡ driven ¡by ¡cosmological ¡accre/on: ¡ ˙ Edis = Eσt−1

dis

and: ¡

Gravita/onally-­‑driven ¡turbulence ¡

• ¡Wri/ng ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡and ¡

combining ¡the ¡steady ¡state ¡results: ¡

• ¡Taking ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡ we ¡obtain ¡a ¡fiducial ¡value: ¡ ˙ Ecosmo ≈ ˙ McosmoV 2

rot

Eσ ≈ Mgσ2 σ Vrot = r tdis tSF tdis ≡ γdistdyn ≈ (1 − 3)tdyn

• Vrot

= √✏SFdis ≈ 0.2 tSF ≡ tdyn ✏SF ≈ tdyn 0.02 Q ≈ √ 2δ−1 σ Vrot ≈ 0.3δ−1

Genel, ¡Dekel ¡& ¡Caciamo, ¡MNRAS, ¡2012 ¡

Gravita/onally-­‑driven ¡turbulence ¡

Genel, ¡Dekel ¡& ¡Caciamo, ¡MNRAS, ¡2012 ¡

In ¡the ¡local ¡Universe: ¡

• ¡Gas ¡velocity ¡dispersions ¡
• f ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
• ¡Gas ¡frac/on ¡

σ ≈ 10km/s At ¡high ¡redshiy ¡(z~2): ¡

• ¡Gas ¡velocity ¡dispersions ¡
• f ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
• ¡Gas ¡frac/on ¡

x5 ¡

σ Vrot ≈ 0.25 σ Vrot ≈ 0.05

x10 ¡

δ ∼ 0.3 δ ∼ 0.03 σ ≈ 40 − 80km/s

• Vrot

= √✏SFdis ≈ 0.2 Q ≈ √ 2δ−1 σ Vrot ≈ 0.3δ−1 Q ≈ √ 2δ−1 σ Vrot ∼ 2 − 3 Q ≈ √ 2δ−1 σ Vrot ∼ 1

/2 ¡