[論文レビュー] Coordinated Assembly of Galaxy Groups and Clusters in the IllustrisTNG Simulations

Meng Gu, Charlie Conroy+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、IllustrisTNGシミュレーションを用いて、質量の大きな銀河クラスターやグループに属する静止状態にある衛星銀河が、協調的な進化を示すことを示した。それらの銀河は、同様の質量を有するフィールド銀河と比較して、より早く星形成が停止し、より速やかに星形成が行われ、星の年齢もより古くなっている。この現象の主な原因は、グループ前処理（group pre-processing）である。銀河がより大きなハローに吸収される場合、降着から停止までの遅延が短くなり、結果として星の年齢が古くなり、[α/Fe]が高くなる。これは、質量の大きなクラスタ中心銀河の観測結果と整合的である。

ABSTRACT

Recent stellar population analysis of early-type galaxy spectra has demonstrated that the low-mass galaxies in cluster centers have high [$α/ m Fe$] and old ages characteristic of massive galaxies and unlike the low-mass galaxy population in the outskirts of clusters and fields. This phenomenon has been termed "coordinated assembly" to highlight the fact that the building blocks of massive cluster central galaxies are drawn from a special subset of the overall low-mass galaxy population. Here we explore this idea in the IllustrisTNG simulations, particularly the TNG300 run, in order to understand how environment, especially cluster centers, shape the star formation histories of quiescent satellite galaxies in groups and clusters ($M_{200c,z=0}\geq10^{13} M_{\odot}$). Tracing histories of quenched satellite galaxies with $M_{\star,z=0}\geq10^{10} M_{\odot}$, we find that those in more massive dark matter halos, and located closer to the primary galaxies, are quenched earlier, have shorter star formation timescales, and older stellar ages. The star formation timescale-$M_{\star}$ and stellar age-$M_{\star}$ scaling relations are in good agreement with observations, and are predicted to vary with halo mass and cluster-centric distance. The dependence on environment arises due to the infall histories of satellite galaxies: galaxies that are located closer to cluster centers in more massive dark matter halos at $z=0$ were accreted earlier on average. The delay between infall and quenching time is shorter for galaxies in more massive halos, and depends on the halo mass at its first accretion, showing that group pre-processing is a crucial aspect in satellite quenching.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーション内で、低質量クラスターコア銀河に見られる古く、[α/Fe]が高い星の年齢といった星の集団の傾向に起因する、銀河グループおよびクラスターの協調的進化が再現可能かどうかを調査すること。
• 静止状態の衛星銀河の星形成歴および星の集団的性質に見られる環境依存性の物理的起源を特定すること。
• 質量の大きなハロー内での銀河の停止スケールおよび星の集団進化に与えるグループ前処理の役割を定量化すること。
• SDSSからの観測データと比較して、星形成時間スケールと星の年齢のスケーリング関係（星の質量およびクラスタ中心からの距離に関して）を検証すること。
• ハロー質量が降着時およびz=0においてどのように、銀河の降着から停止までの遅延に影響を与えるかを評価し、環境の歴史の重要性を検証すること。

提案手法

• M200c,z=0 ≥10^13 M☉のハローに属する、星の質量が10^10 M☉以上の静止状態の衛星銀河を追跡するために、TNG300シミュレーションを用いた。
• 銀河の降着時刻および停止時刻は、z=0の赤方偏移を基準として測定され、各衛星の降着から停止までの全位相空間履歴を用いた。
• 星の集団合成モデルを用いて、主銀河の30 kpc内での星形成時間スケール（τ_SF）および質量加重平均星の年齢を計算した。
• 環境的傾向を分析するため、クラスタ中心からの距離（R200c単位）およびz=0におけるホストハロー質量で銀河をビニングした。
• グループ前処理（最初にグループに降着した）と直接クラスタに降着した銀河について、最初の降着から停止までの時間遅延を別々に計算した。
• τ_SF、星の年齢、星の質量とのスケーリング関係を導出し、Conroyら（2014）のスタックされたSDSS早期型銀河スペクトルの観測データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IllustrisTNGシミュレーションは、中心部に位置する低質量銀河の観測された協調的進化（古く、[α/Fe]が高い）を再現できるか？
• RQ2 静止状態の衛星銀河の星形成時間スケールおよび星の年齢は、ホストハロー質量およびクラスタ中心からの距離にどのように依存するか？
• RQ3 グループ前処理が、質量の大きなハロー内での衛星銀河の停止遅延を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 降着から停止までの遅延は、最初の降着時のハロー質量か、z=0におけるハロー質量のどちらに主に依存するか？
• RQ5 τ_SFおよび星の年齢と星の質量との間のシミュレーション上のスケーリング関係は、SDSSの早期型銀河の観測データと一致するか？

主な発見

• M200c,z=0 ≥10^14 M☉の質量の大きなハローの中心部に位置する静止状態の衛星銀河は、質量が小さいか外縁部に位置する銀河と比較して、平均的に早く降着され、早く停止している。
• z=0におけるハロー質量が大きい銀河では、星形成時間スケール（τ_SF）が短く、星の年齢も古くなる。τ_SF-M⋆および年齢-M⋆関係において、クラスターコアではフィールドと比較して勾配がやや緩やかである。
• 最初の降着時により大きなハローに吸収された銀河では、降着から停止までの遅延が短く、この遅延は最初の降着時のハロー質量に線形的に比例する。
• グループ前処理を経験した銀河は、最初の降着から平均して1–4 Gyrの遅延で停止するが、直接クラスタに降着した銀河は0–3 Gyrの遅延である。これは、前処理が銀河の停止を促進していることを示している。
• 最終的なz=0におけるハロー質量を補正しても、前処理を経験した銀河は、あらゆるハロー質量においてより早く停止しており、遅延が短い。
• 停止までの遅延は、最終的なハロー質量ではなく、最初の降着時のハロー質量に主に依存しており、銀河進化を形作る環境の初期歴史の重要性が浮き彫りになる。