[논문 리뷰] 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 Sanchis외 3명|arXiv (Cornell University)|2003. 10. 24.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 25인용 수 69

한 줄 요약

이 논문은 바이로 클러스터의 비르리얼 반경을 초월해 관측된 H I 결핍 성간은 바이로 클러스터의 중심부를 통과한 후 램 압력 제거에 의해 가스를 失한 것일 수 있는지 조사한다. 평탄한 ΛCDM 우주론에서 분석 모델과 천체역학 N-체 시뮬레이션을 사용하여 단순화된 전환 반경 공식을 유도하고, 은하가 최대 1–2.5 비르리얼 반경까지 되돌아올 수 있음을 발견한다. 관측된 H I 결핍 은하는 이에 비해 훨씬 더 멀리 떨어져 있으므로, 저자들은 램 압력 제거가 그 원인일 가능성은 낮다고 결론 내리며, 타원형 상호작용이나 측정 오류와 같은 다른 메커니즈다고 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비르리얼 클러스터인 바이로와 같은 곳에 빠진 후 클러스터 중심부를 통과한 은하가 되돌아올 수 있는 최대 거리를 결정하는 것.
• 바이로 클러스터의 비르리얼 반경을 초월해 관측된 H I 결핍 은하가 과거 클러스터 중심부를 통과할 당시 램 압력 제거에 의해 가스를 失한 것일 수 있는지 평가하는 것.
• 평탄한 ΛCDM 우주론에서 전환 반경에 대한 단순화된 해석적 표현을 유도하는 것. 이는 이전 수식보다 개선된 것이다.
• 우주론적 N-체 시뮬레이션을 사용하여 분석 결과를 검증하고 어둠센 물질 허브의 경계 공간 구조를 분석하는 것.
• X선 관측을 통해 바이로 클러스터의 물리적 비르리얼 반경을 추정하고, 이와 반동 반경을 비교하여 램 압력 제거가 H I 결핍의 원인일 가능성 여부를 평가하는 것.

제안 방법

• 중력과 어둠센 에너지 작용을 고려한 구형 물질 층의 운동 방정식과 에너지 보존 법칙을 사용하여 평탄한 ΛCDM 우주론에서 전환 반경에 대한 해석적 수식을 유도한다.
• 초기 특이 속도와 과밀도를 고려하기 위해 Zeldovich 근사법을 적용하여 순수 허블 흐름 가정을 개선한다.
• 256³ 입자를 사용한 150 Mpc 상자에서 ΛCDM 우주론(Ω₀=0.333, Λ₀=0.667, H₀=66.7 km s⁻¹ Mpc⁻¹, σ₈=0.88)으로 우주론적 N-체 시뮬레이션을 수행하고, 최소 질량 기준을 설정한 친구-친구 알고리즘으로 허브를 식별한다.
• 모의 허브의 경계 공간도(경계 속도 대 경계 거리)를 분석하여 유입, 비르리얼 영역, 반동 영역을 식별한다.
• 유도된 전환 반경 공식을 사용한 해석적 방법과 시뮬레이션 내 입자 궤적을 기반으로 한 수치적 방법을 통해 최대 반동 반경을 계산한다.
• X선 관측을 통해 바이로 클러스터의 비르리얼 반경을 추정하고, 이를 시뮬레이션된 반동 반경과 비교하여 램 압력 제거의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바이로 클러스터의 비르리얼 반경을 초월해 위치한 H I 결핍 은하가 과거 중심부 통과 시 램 압력 제거에 의해 가스를 失한 것일 수 있는가?
• RQ2 ΛCDM 우주론에서 비르리얼 클러스터에 빠져 들어가고 중심부를 통과한 은하가 최대 몇 배의 반경까지 반동할 수 있는가?
• RQ3 평탄한 ΛCDM 모델에서의 해석적 전환 반경이 우주론적 N-체 시뮬레이션의 수치 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 H I 결핍 은하의 거리가 이론적 반동 한계를 얼마나 초과하는가? 이는 램 압력 제거 가설에 도전하는가?
• RQ5 타원형 상호작용이나 측정 오류와 같은 대체 메커니즘이 이 먼 거리에 위치한 은하의 관측된 H I 결핍을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 평탄한 ΛCDM 우주론에서 비르리얼 클러스터에 빠진 은하의 최대 반동 반경은 비르리얼 반경(r₁₀₀)의 1~2.5배 사이로 확인되었다.
• 전환 반경의 해석적 유도는 현재 우주론적 매개변수(Ω₀, λ₀, δ₀)로 표현된 단순화된 삼차 방정식을 제공하며, 이는 이전 수식보다 접근성이 높다.
• N-체 시뮬레이션은 분석 예측을 확인하였으며, 위상 공간에서 반동 입자는 영속 속도 선을 중심으로 유입 입자와 대칭적이지만, 수치적 완화로 인해 퍼져 있다.
• X선 관측을 통해 추정된 바이로 클러스터의 비르리얼 반경은 r₁₀₀ 정의(비율 밀도의 100배)와 일치하여, 이를 기준 척도로 사용하는 것이 타당하다고 지지한다.
• 관측된 H I 결핍 은하가 2.5 비르리얼 반경보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있으므로, 저자들은 클러스터 내부 매질의 램 압력 제거가 그들의 H I 결핍 원인일 가능성은 낮다고 결론 내린다.
• 이 연구는 거리 추정 오류, H I 결핍 측정 오류, 또는 군집 내 타원형 상호작용과 같은 대체 메커니즘을 고려하여 관측된 H I 결핍을 설명해야 한다고 제안한다.