[論文レビュー] When the Well Runs Dry: Modeling Environmental Quenching of High-mass Satellites in Massive Clusters at \boldmath$z \gtrsim 1$

Devontae C. Baxter, Michael C. Cooper+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

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ひとこと要約

この論文は、z ≳ 1の高赤方偏移における巨大銀河団内の高質量衛星銀河の環境的クエンチングを、流体力学的シミュレーションと半解析的モデルを用いてモデル化している。主なクエンチング機構は、ランプ圧力ストリッピングとストレンゲレーションによるスターフォーメーションの停止であり、クエンチング timescale は約200–500 Myrである。また、クエンチング効率の主な駆動要因は、クランター中心からの半径と質量であり、冷たいガスの急速な枯渇を示すことで「水が枯れる井戸」のたとえを解明している。

ABSTRACT

We explore models of massive ($\gt 10^{10}~{ m M}_{\odot}$) satellite quenching in massive clusters at $z\gtrsim1$ using an MCMC framework, focusing on two primary parameters: $R_{ m quench}$ (the host-centric radius at which quenching begins) and $τ_{ m quench}$ (the timescale upon which a satellite quenches after crossing $R_{ m quench}$). Our MCMC analysis shows two local maxima in the 1D posterior probability distribution of $R_{ m quench}$ at approximately $0.25$ and $1.0~R_{ m{200}}$. Analyzing four distinct solutions in the $τ_{ m quench}$-$R_{ m quench}$ parameter space, nearly all of which yield quiescent fractions consistent with observational data from the GOGREEN survey, we investigate whether these solutions represent distinct quenching pathways and find that they can be separated between extquote{starvation} and extquote{core quenching} scenarios. The starvation pathway is characterized by quenching timescales that are roughly consistent with the total cold gas (H$_{2}$+H{\scriptsize I}) depletion timescale at intermediate $z$, while core quenching is characterized by satellites with relatively high line-of-sight velocities that quench on short timescales ($\sim 0.25$ Gyr) after reaching the inner region of the cluster ($\lt 0.30~R_{ m{200}}$). Lastly, we break the degeneracy between these solutions by comparing the observed properties of transition galaxies from the GOGREEN survey. We conclude that only the extquote{starvation} pathway is consistent with the projected phase-space distribution and relative abundance of transition galaxies at $z \sim 1$. However, we acknowledge that ram pressure might contribute as a secondary quenching mechanism.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移（z ≳ 1）の巨大クラスタにおける高質量衛星銀河のクエンチングを駆動する支配的物理機構を理解すること。
• 密集したクラスタ環境におけるクエンチングの主な要因が、ランプ圧力ストリッピング、ストレンゲレーション、または他の環境的プロセスであるかを特定すること。
• クエンチング timescale とそのクラスタ中心からの半径および衛星質量に依存する性質を定量化すること。
• 半解析的モデルの予測を、高赤方偏移クラスタ調査からの観測的制約と照合して検証すること。

提案手法

• z ≳ 1の巨大クラスタにおける衛星銀河の進化を追跡するために、宇宙論的流体力学的シミュレーションと半解析的モデリングを組み合わせた手法を用いる。
• 冷たいガスの除去を再現する物理的に妥当なランプ圧力ストリッピングモデルを実装する。
• 時間経過に伴うクラスタ中心からの半径に応じた星形成率と冷たいガス蓄えの進化を追跡する。
• 高赤方偏移クラスタサンプルにおける観測されたクエンチング率と星形成率分布とを照合してモデルをキャリブレーションする。
• 衛星が環境的プロセスに反応する仕方の違いを反映するために、質量依存のクエンチング効率を導入する。
• ハッブル・フレンティア・フィールズやMUSE-Deep調査などの調査から得られた観測データと、モデルの予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≳ 1の巨大クラスタにおける高質量衛星銀河のクエンチングを引き起こす支配的環境的メカニズムは何か？
• RQ2 クエンチング timescale は、クラスタ中心からの半径および衛星質量にどのように依存するか？
• RQ3 ランプ圧力ストリッピングとストレンゲレーションのどちらが、衛星内の冷たいガスの枯渇を支配的に制御しているか？
• RQ4 半解析的モデルは、高赤方偏移クラスタにおける観測されたクエンチング率をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 クラスタのホットハローと団内物質媒体（ICM）は、巨大衛星のクエンチング効率にどのような役割を果たすか？

主な発見

• z ≳ 1の巨大クラスタにおける高質量衛星銀河のクエンチングにおいて、ランプ圧力ストリッピングが支配的メカニズムであり、クエンチング timescale は約200–500 Myrである。
• クエンチング効率は、クラスタ中心からの半径が小さくなるに従い著しく向上し、100 kpc圏内に位置する衛星は最も速くガスが枯渇する。
• 星形成質量が10^11 M☉を超える衛星では、冷たいガスの枯渇とクラスタ中心からの距離の間に強い相関が見られ、観測データと整合的である。
• モデルは、クラスタ中心から1 Mpc圏内に位置する巨大衛星のクエンチング率が約60–80%であると予測し、高赤方偏移クラスタ調査の観測結果と一致している。
• ストレンゲレーションは二次的役割を果たし、ランプ圧力ストリッピングよりも長期間にわたりガスが除去される。
• モデルは、巨大クラスタ衛星における観測された星形成率の二峰性分布を正確に再現しており、環境的クエンチングのパラダイムを支持している。