[논문 리뷰] Fossil Groups Origins III. Characterization of the sample and observational properties of fossil systems

S. Zarattini, R. Barrena외 16명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 03.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 70인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 아이자악 뉴턴 망원경, 노르딕 광학 망원경, 이탈리아 국립 천체망원경에서 확보한 깊은 r-대역 이미징 및 분광학 데이터를 바탕으로 34개의 화석 군집 후보군을 재평가한다. 추가로 SDSS-DR7 데이터도 통합하여 분석하였다. magnitude gap Δm₁₂ ≥ 2 mag 또는 Δm₁₄ ≥ 2.5 mag 조건을 0.5 R₂₀₀ 이내에서 만족하는 15개 시스템이 진정한 화석으로 확인되었으며, 화석 시스템은 일반 시스템의 극단적인 사례로, 가장 밝은 중심은형성은 물론 더 높은 BGG 빛 기여도를 보이며, 화석 시스템의 기원으로서 융합 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

(Abridged) Fossil systems are group- or cluster-sized objects whose luminosity is dominated by a very massive central galaxy. In the current cold dark matter scenario, these objects formed hierarchically at an early epoch of the Universe and then slowly evolved until present day. That is the reason why they are called {\it fossils}. We started an extensive observational program to characterize a sample of 34 fossil group candidates spanning a broad range of physical properties. Deep $r-$band images were taken for each candidate and optical spectroscopic observations were obtained for $\sim$ 1200 galaxies. This new dataset was completed with SDSS DR7 archival data to obtain robust cluster membership and global properties of each fossil group candidate. For each system, we recomputed the magnitude gaps between the two brightest galaxies ($Δm_{12}$) and the first and fourth ranked galaxies ($Δm_{14}$) within 0.5 $R_{ m 200}$. We consider fossil systems those with $Δm_{12} \ge 2$ mag or $Δm_{14} \ge 2.5$ mag within the errors. We find that 15 candidates turned out to be fossil systems. Their observational properties agree with those of non-fossil systems. Both follow the same correlations, but fossils are always extreme cases. In particular, they host the brightest central galaxies and the fraction of total galaxy light enclosed in the central galaxy is larger in fossil than in non-fossil systems. Finally, we confirm the existence of genuine fossil clusters. Combining our results with others in the literature, we favor the merging scenario in which fossil systems formed due to mergers of $L^\ast$ galaxies. The large magnitude gap is a consequence of the extreme merger ratio within fossil systems and therefore it is an evolutionary effect. Moreover, we suggest that at least one candidate in our sample could represent a transitional fossil stage.

연구 동기 및 목표

• 다양한 물리적 성질을 가진 34개의 화석 군집 후보군을 광범위하게 특성화하기 위해.
• 측정 불확실성을 고려하여 0.5 R₂₀₀ 내에서 강력한 magnitude gap 기준(Δm₁₂ ≥ 2 mag 또는 Δm₁₄ ≥ 2.5 mag)을 사용해 화석 상태를 판단하기 위해.
• 화석 및 비화석 시스템의 관측 성질을 비교하기 위해 중심은형성의 빛강도, 은하 빛 기여도, 속도 분산을 중심으로 분석하기 위해.
• 화석 시스템이 초기 융합 과정의 잔여물인지, 또는 군집 진화의 전이 단계인지 평가하기 위해.
• 진정한 화석 군집의 존재 여부를 조사하고 잠재적인 전이 단계 화석 단계를 식별하기 위해.

제안 방법

• 2.5m 아이자악 뉴턴 망원경과 노르딕 광학 망원경을 사용해 깊은 r-대역 이미징을 확보하였다.
• 3.5m 이탈리아 국립 천체망원경을 활용해 약 1200개의 은하에 대해 광학 분광학을 수행하였다.
• 신규 확보 데이터를 SDSS-DR7 기록 데이터와 융합하여 안정적인 군집 소속 및 전반적 성질을 유도하였다.
• 위성 간섭 영향을 최소화하기 위해 평균 magnitude(피터시안, 모델, SExtractor MAG-BEST)를 사용해 0.5 R₂₀₀ 내에서 magnitude gap Δm₁₂ 및 Δm₁₄를 계산하였다.
• 오차 범위 내에서 Δm₁₂ ≥ 2 mag 또는 Δm₁₄ ≥ 2.5 mag 조건을 만족하는 시스템을 화석으로 분류하였다.
• magnitude gap, BGG 빛강도, BGG 빛 기여도(L_BGG/L_tot), 속도 분산(σ_v) 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 magnitude gap 측정치를 바탕으로 34개의 후보 시스템 중 진정한 화석 상태는 무엇인가?
• RQ2 화석 시스템과 비화석 시스템 간의 BGG 빛강도 및 빛 기여도 측면에서 관측 성질은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 화석 시스템은 비화석 시스템와 동일한 척도관계(L_BGG/L_tot–σ_v)를 따르는가, 아니면 극단적인 이질점인가?
• RQ4 어떤 화석 군집 후보군이 전이 화석 단계를 대표할 수 있으며, 그에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ5 화석 시스템의 큰 magnitude gap는 융합 시나리오에 의해 더 잘 설명되는가, 아니면 그룹 형성 실패 시나리오에 의해 설명되는가?

주요 결과

• magnitude gap 기준에 따라 15개 시스템(신뢰구간 15⁺⁸₋₄)이 진정한 화석 시스템으로 확인되었다.
• 화석 시스템은 가장 밝은 중심은형성(BGG)을 보유하고 있으며, 비화석 시스템에 비해 총 은하 빛 중 BGG 기여도가 더 높다.
• L_BGG/L_tot–σ_v 관계는 화석 및 비화석 시스템 모두에서 따르지만, 화석 시스템은 주어진 속도 분산에서 더 밝은 BGG를 가진 극단적인 사례이다.
• magnitude gap는 BGG 빛강도와 강하게 상관된다: 더 큰 Δm₁₂를 가진 시스템일수록 더 밝은 BGG를 가진다.
• FGS06 시스템은 최근의 적재를 경험한 것으로 보아, 과거에는 화석이었지만 현재는 그렇지 않은 가능성이 있는 전이 화석 단계로 식별되었다.
• 어두운 BGG와 큰 magnitude gap를 동시에 가진 시스템의 부재는, 화석에서 밝은 BGG가 군집 진화 과정에서 일시적인 단계일 수 있음을 배제하며, 융합 시나리오가 주요 형성 메커니즘임을 지지한다.