Uncovering the baryon cycle in the dwarf galaxy regime : a view from cosmological hydrodynamical simulations

Abstract

Dwarf galaxies (stellar mass ≲ 109 M⊙) stand out as the most numerous galaxies across all cosmic time. While many studies primarily focus on the assembly of high-mass ga- laxies, the role of interactions, mergers, and AGN activity in the low-mass regime re- mains unclear. These processes directly impact the cosmic baryon cycle, which governs the inflow, consumption, and outflow of gas in galaxies. Understanding this cycle is particularly important in dwarf galaxies, given their shallower gravitational potentials. Thus, we use the TNG50 cosmological simulation to investigate two relevant aspects of the baryon cycle in the low-mass regime: the role of environment in galaxies inhabi- ting Compact Groups of Dwarfs (CGDs), and also, the internal effects of feedback from Active Galactic Nuclei (AGN) in central dwarf galaxies. Our investigation into CGDs at z = 0 reveals that they are the product of a recent hierarchical assembly, where they form from the encounter of a few low-mass halos within the last ∼ 3 Gyr. The outcome of this late hierarchical accretion is that host halos of CGDs are systematically deficient in stellar mass. We find that these gas-rich groups eventually coalesce over a median timescale of ∼ 3 Gyr into single, low-to- intermediate mass galaxies that reside on the star-forming main sequence at z = 0. This coalescence timescale is significantly higher than previous estimates, but the si- mulations used here more appropriately model these groups. Finally, we also predict the number density of CGDs in the nearby Universe, which may be tested soon with spectroscopic surveys. Our investigation into internal feedback mechanisms focuses on the impact of AGN activity within the dwarf galaxy population. By comparing dwarf galaxies hosting ac- tive black holes to meticulously matched control samples of galaxies without AGN, we isolate the imprint of AGN feedback. The primary effect is a substantial depletion of the neutral gas within their circumgalactic medium. AGN hosts possess, on average, ~ 4 times less neutral gas mass than control galaxies. This is a direct consequence of the high-accretion thermal feedback mode employed in the simulation, which does not eject gas from the dwarf galaxy haloes but can transform their thermodynamic state. In summary, we provide new theoretical insights into the hierarchical assembly and black hole feedback on the dwarf galaxy regime. Our analysis yields concrete, testable predictions that can be confronted with data from upcoming observational campaigns.

As galáxias anãs (massa estelar ≲ 109 M⊙) destacam-se como as galáxias mais numero- sas em todo o tempo cósmico. Embora muitos estudos se concentrem principalmente na formação de galáxias de alta massa, o papel das interações, fusões e atividade AGN no regime de baixa massa permanece incerto. Esses processos afetam diretamente o ciclo cósmico dos bárions, que controla o influxo, o consumo e a saída de gás nas galá- xias. Compreender esse ciclo é particularmente importante nas galáxias anãs, devido aos seus potenciais gravitacionais mais rasos. Assim, usamos a simulação cosmológica TNG50 para investigar dois aspectos relevantes do ciclo dos bárions no regime de baixa massa: o papel do ambiente nas galáxias que habitam Grupos Compactos de Anãs (CGDs) e também os efeitos internos do feedback dos Núcleos Galácticos Ativos (AGN) nas galáxias anãs centrais. Nossa investigação sobre CGDs em z = 0 revela que eles são o produto de uma recente formação hierárquica, formando-se a partir do encontro de alguns halos de baixa massa nos últimos ~ 3 Gyr. O resultado dessa acreção hierárquica tardia é que os halos hospedeiros das CGDs são sistematicamente deficientes em massa estelar. Des- cobrimos que esses grupos ricos em gás acabam se fundindo em uma escala de tempo média de ~ 3 Gyr, gerando galáxias de massa baixa a intermediária que residem na sequência principal de formação estelar em z = 0. Tal escala de tempo de fusão é signi- ficativamente maior do que as estimativas anteriores, mas as simulações usadas aqui modelam esses grupos de forma mais adequada. Por fim, também fornecemos esti- mativas sobre a densidade numérica de CGDs no Universo próximo, que podem ser testadas em breve com levantamentos espectroscópicos. Nossa investigação sobre mecanismos internos de feedback concentra-se no impacto da atividade AGN na população de galáxias anãs. Ao comparar galáxias anãs que abri- gam buracos negros ativos com amostras de controle meticulosamente selecionadas de galáxias sem AGN, isolamos o efeito do feedback de AGN. O principal efeito é uma forte redução do gás neutro no meio circumgaláctico. As galáxias que abrigam AGN possuem, em média, cerca de 4 vezes menos massa de hidrogênio neutro do que as galáxias de controle. Isso é uma consequência direta do modo de feedback térmico de alta acreção empregado na simulação, que não ejeta gás dos halos das galáxias anãs, mas pode transformar seu estado termodinâmico. Em resumo, fornecemos novas percepções teóricas sobre a formação hierárquica e o feedback de buracos negros no regime das galáxias anãs. Nossa análise produz previsões concretas e testáveis que podem ser confrontadas com dados de futuras observações.