[論文レビュー] The origin of HI-deficiency in galaxies on the outskirts of the Virgo cluster. I. How far can galaxies bounce out of clusters?

G. A. Mamon, Teresa Sanchis+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用数 69

ひとこと要約

この論文は、バービョ銀河団の準拡散半径を越えて観測されたH I欠損銀河が、団コアを通過した後、ランプ圧力剥がしによってガスを失った可能性があるかどうかを調査している。平坦なΛCDM宇宙論における解析的モデルと宇宙論的N体シミュレーションを用いて、簡略化された逆転半径の公式を導出し、銀河が最大で1–2.5倍の準拡散半径まで跳ね返る可能性があると判明した。観測されたH I欠損銀河はこの値をはるかに超えて遠くに位置しているため、研究者たちはランプ圧力剥がしがその原因である可能性は低いと結論づけ、代わりに潮汐相互作用や測定誤差といった他のメカニズムの可能性を示唆している。

ABSTRACT

Spiral galaxies that are deficient in neutral Hydrogen are observed on the outskirts of the Virgo cluster. If their orbits have crossed the inner parts of the cluster, their interstellar gas may have been lost through ram pressure stripping by the hot X-ray emitting gas of the cluster. We estimate the maximum radius out to which galaxies can bounce out of a virialized system using analytical arguments and cosmological N-body simulations. In particular, we derive an expression for the turnaround radius in a flat cosmology with a cosmological constant that is simpler than previously derived expressions. We find that the maximum radius reached by infalling galaxies as they bounce out of their cluster is roughly between 1 and 2.5 virial radii. Comparing to the virial radius of the Virgo cluster, which we estimate from X-ray observations, these HI-deficient galaxies appear to lie significantly further away from the cluster center. Therefore, if their distances to the cluster core are correct, the HI-deficient spiral galaxies found outside of the Virgo cluster cannot have lost their gas by ram pressure from the hot intracluster gas.

研究の動機と目的

• バービョのような準拡散銀河団に落下し、通過した後、銀河がどの程度まで跳ね返るかを特定すること。
• バービョ銀河団の準拡散半径を越えて観測されたH I欠損銀河が、過去に団コアを通過した際にランプ圧力剥がしによってガスを失った可能性があるかどうかを評価すること。
• 平坦なΛCDM宇宙論における逆転半径の簡略化された解析的式を導出すること。
• 宇宙論的N体シミュレーションを用いて解析的結果を検証し、ダークマター団の径方向位相空間構造を分析すること。
• X線観測から得られるバービョ銀河団の物理的準拡散半径を推定し、それと跳ね返り半径を比較することで、ランプ圧力剥がしがH I欠損の原因である可能性を評価すること。

提案手法

• 重力とダークエネルギーの作用を受ける球対称物質殻の運動方程式とエネルギー保存則を用いて、平坦なΛCDM宇宙論における逆転半径の解析的式を導出する。
• 初期の特異速度と過密度を扱うためにZeldovich近似を適用し、純粋なハッブルフローの仮定を改善する。
• 256³個の粒子を用いた150 Mpcのボックス内で、ΛCDM宇宙論（Ω₀=0.333、Λ₀=0.667、H₀=66.7 km s⁻¹ Mpc⁻¹、σ₈=0.88）の下で宇宙論的N体シミュレーションを実行し、最小質量閾値を設けて団をフレンド・オブ・フレンドス（Friends-of-Friends）法で同定する。
• シミュレートされた団の径方向位相空間図（径方向速度 vs. 径方向距離）を分析し、降下中、準拡散状態、跳ね返り領域を特定する。
• 得られた逆転半径式を用いて解析的に最大跳ね返り半径を算出し、シミュレーション内の粒子軌道からも数値的に同定する。
• X線観測から得られるバービョ銀河団の準拡散半径を推定し、シミュレートされた跳ね返り半径と比較することで、ランプ圧力剥がしが成立するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バービョ銀河団の準拡散半径を越えて位置するH I欠損銀河が、過去のコア通過時にランプ圧力剥がしによってガスを失った可能性はあるか？
• RQ2 平坦なΛCDM宇宙論において、準拡散銀河団に落下し、通過した銀河がどの程度の半径まで跳ね返るか？
• RQ3 平坦なΛCDMモデルにおける解析的逆転半径は、宇宙論的N体シミュレーションの数値結果とどのように一致するか？
• RQ4 観測されたH I欠損銀河の距離が理論的な跳ね返り限界をどれほど上回っているか。これはランプ圧力剥がし仮説に疑問を呈する。
• RQ5 潮汐剥がしや測定誤差といった代替メカニズムが、これらの遠方銀河における観測されたH I欠損を説明できるか？

主な発見

• 平坦なΛCDM宇宙論における準拡散銀河団に落下する銀河の最大跳ね返り半径は、準拡散半径（r₁₀₀）の1～2.5倍の間であることが判明した。
• 逆転半径の解析的導出により、現在の宇宙論的パラメータ（Ω₀、λ₀、δ₀）を用いた簡略化された3次方程式が得られ、従来の式よりもアクセスしやすい形となった。
• N体シミュレーションは解析的予測を確認しており、位相空間における跳ね返り粒子は、ゼロ速度線に対して降下中の粒子と対称的であるが、数値的緩和の影響でぼやけている。
• X線観測から得られたバービョ銀河団の準拡散半径は、r₁₀₀定義（臨界密度の100倍）と整合的であり、これを基準スケールとして用いることが妥当であることを支持する。
• 観測されたH I欠損銀河は2.5倍の準拡散半径よりもはるかに遠くに位置しているため、研究者たちはイントラクラスターメディアからのランプ圧力剥がしがそのH I欠損の原因である可能性は低いと結論づけた。
• 本研究は、距離推定の誤り、H I欠損測定の誤差、あるいはグループ内での潮汐相互作用といった代替メカニズムが、観測されたH I欠損を説明するために検討されるべきであると示唆している。