[논문 리뷰] Shape and connectivity of groups and clusters: Impact of dynamical state and accretion history

Gouin, C., Tony Bonnaire외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 94인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 IllustrisTNG 시뮬레이션을 활용하여 은하군 및 은하단의 역학적 상태와 은하계 웹으로의 가속력 역사가 그들의 형태와 연결성에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 결과적으로 질량이 큰 헬로는 이sovotropic한 가속력으로 인해 더 타원형이고 강하게 연결되어 있음을 발견하였다. 비완화된, 최근 형성된 헬로는 더 타원형이고 강하게 연결되어 있으며, 완화된 오래된 헬로는 구형이며 약하게 연결되어 있다—이는 이방성과 연결성이 질량 외에도 형성력사를 잘 반영하는 강력한 지표임을 시사한다.

ABSTRACT

Matter distribution around clusters is highly anisotropic from their being the nodes of the cosmic web. Clusters' shape and the number of filaments they are connected to, i.e., their connectivity, should reflect their level of anisotropic matter distribution and must be, in principle, related to their physical properties. We investigate the influence of the dynamical state and the formation history on both the morphology and local connectivity of about 2400 groups and clusters of galaxies from the large hydrodynamical simulation IllustrisTNG at z=0. We find that the mass of groups and clusters mainly influences the geometry of the matter distribution: massive halos are significantly more elliptical, and more connected to the cosmic web than low-mass ones. Beyond the mass-driven effect, ellipticity and connectivity are correlated and are imprints of the growth rate of groups and clusters. Both anisotropy measures appear to trace different dynamical states, such that unrelaxed groups and clusters are more elliptical and more connected than relaxed ones. This relation between matter anisotropies and dynamical state is the sign of different accretion histories. Relaxed groups and clusters are mostly formed long time ago, and slowly accreting matter at the present time. They are rather spherical and weakly connected to their environment, mostly because they had enough time to relax and, hence, lost the connection with their preferential directions of accretion and merging. In contrast, late-formed unrelaxed objects are highly anisotropic with large connectivities and ellipticities. These groups and clusters are in formation phase and must be strongly affected by the infalling of materials from filaments.

연구 동기 및 목표

• 은하군 및 은하단의 역학적 상태와 가속력 역사가 은하계 웹으로의 형태와 연결성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것.
• 질량 외의 요소인 형성력사와 완화 상태가 헬로의 이방성에 미치는 영향을 분리하는 것.
• 타원도와 연결성이 역학적 상태와 가속률을 별개의 지표로 사용할 수 있는지 테스트하는 것.
• 특히 거대 클러스터에서 연결성이 헬로의 성장력사에 대한 대체 지표로 얼마나 중요한지 평가하는 것.
• 관측 데이터를 해석하기 위한 프레임워크를 제공하여 시뮬레이션된 역학적 상태를 기반으로 클러스터의 형태와 환경을 해석하는 것.

제안 방법

• z = 0에서 실행된 대규모 유체역학적 시뮬레이션인 IllustrisTNG를 사용하여 약 2400개의 군 및 클러스터를 분석하였다.
• R200 내부의 암흑물질 입자들의 관성 텐서를 사용하여 헬로의 타원도를 정의하고, 형태 이방성도를 측정하였다.
• 밀도장에 워터셰드 변환을 적용하여 각 헬로에 연결된 필라멘트의 수를 연결성으로 정량화하였다.
• 하위구조와 속도 분산을 기반으로 한 역학적 상태 추정기를 사용하여 헬로를 완화된 집단과 비완화된 집단으로 분류하였다.
• 질량 효과와 역학적 상태 효과를 분리하기 위해 질량 밴드(M200 > 10^13.5 M⊙/h)에서 통계적 분석을 수행하였다.
• 성장력사를 유추하기 위해 연결성과 타원도를 가속률 및 형성 적색편이와 상관관계 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하군 또는 은하단의 역학적 상태가 그들의 타원도와 은하계 웹으로의 연결성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 타원도와 연결성이 헬로의 형성력사의 동일한 요소를 반영하는가, 아니면 서로 다른 요소를 반영하는가?
• RQ3 질량 외에 연결성과 가속률 간에 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 각 질량 밴드에서 완화된 헬로와 비완화된 헬로는 형태와 환경적 연결성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ5 연결성과 타원도가 헬로의 역학적 상태와 성장률을 별개의 지표로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 질량이 헬로 기하학의 주요 결정 요소이다: 질량이 클수록 더 타원형이고 은하계 웹으로의 연결성이 높다.
• 질량 외에도 타원도와 연결성은 강하게 상관관계가 있으며, 동일한 성장률을 반영하므로 가속력 역학의 공통된 기원을 지닌다.
• 완화되지 않은 헬로는 질량을 보정한 후에도 완화된 헬로보다 평균적으로 더 타원형이고 더 강하게 연결되어 있으며, 이는 이방성이 역학적 상태를 반영한다는 것을 시사한다.
• 완화된 헬로는 일반적으로 오래된, 구형 대칭이며 약하게 연결되어 있는데, 이는 시간이 지남에 따라 완화되고 방향성 가속력의 흔적을 상실하기 때문이다.
• 완화되지 않은 헬로는 젊고 빠르게 가속되고 있으며, 강한 이방성과 필라멘트와의 강한 연결성을 지닌다. 이는 필라멘트를 통한 지속적인 형성 과정을 시사한다.
• 고정된 질량에서 은하계 웹의 노드에 위치한 헬로는 필라멘트에 위치한 헬로보다 더 높은 가속률을 보이며, 연결성이 성장률과 관련이 있음을 확인한다.