[论文解读] One Halo, Two Boundaries: Relating Accretion Shocks and Splashback Radii in Galaxy Clusters

Siddhant Sen, Susmita Adhikari+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2026

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 0

一句话总结

该论文分析 gas accretion shock 与 dark matter splashback radius 在 IllustrisTNG 模拟的 812 个星系团中的关系，发现一个鲁棒的偏移：冲击在边界更远且具有强方向依赖。

ABSTRACT

The boundaries of dark matter and gas in clusters are delineated by the splashback radius and the accretion shock, respectively. Theoretically, both of these boundaries are expected to coincide at the outskirts of halos. However, hydrodynamic cosmological simulations have highlighted significant displacement between them. In this study, we utilise the IllustrisTNG simulation suite to investigate the statistical relationship between the splashback and shock surfaces in a sample of 812 cluster-mass halos. We compute the full angular distribution of both boundaries and examine their relationship, also considering how different moments of this distribution correlate with halo properties. We employ a dispersion-based measure for the splashback boundary and the maximum entropy distance for the shock location. Despite examining various boundary definitions, we consistently observe an offset between the splashback and shock boundaries, with $R_{ m sh}/R_{ m sp} \sim 1.3-2$, depending on specific methodological choices. This offset predominantly occurs along void directions. We analyse the redshift evolution of these boundaries for a subset of halos and find that splashback and shock boundaries are not necessarily distinct at earlier times. During mergers, gas dissipates energy and resists contraction via pressure, unlike collisionless dark matter, leading to the observed boundary offset. We also find that the feature in pressure profiles arising from the outer accretion shock is sensitive to the exact method of stacking, which has important implications for observations.

研究动机与目标

• 理解由气体（吸积冲击）和暗物质（splashback 半径）定义的星系团外部边界的必要性。
• 量化一个大样本、具有代表性的星系团对边界在角度上的分布（方向性）。
• 研究边界偏移如何随红移、并合活动以及环境（空洞 vs 纤维）而变化。
• 评估边界定义和叠加选择对观测推断的晕团属性的影响。

提出的方法

• 利用 TNG-Cluster 和 TNG300-1 的 812 个晕来在每个视线方向上以 50x50 角度分箱、50-100 径向分箱绘制外部边界。
• 通过沿每条视线的熵极大值来定义吸积冲击，设定阈值 S_max/S_min > 2 以确保是真正的冲击（Mach ≳ 3）。
• 计算气体熵、温度、密度和压力的角向中位数分布，以定位基于熵的冲击面。
• 使用基于分散的径向速度方法（相空间分析）确定每个方向的 splashback 半径，并从径向速度分散的导数的最小值处识别外部边界。
• 在各方向比较冲击面与 splashback 面，并分析角向中位数如何转化为星系团全局半径及其比值。
• 通过比较熵极大值冲击与熵斜率方法，以及同时使用密度和分散基的 splashback 估计，测试边界定义的鲁棒性。

Figure 1 : A 2-dimension (2D) projection of the shock boundary found by our algorithm for one of the massive clusters from the TNG-Cluster suite with $M_{200m}=1.9\times 10^{15}\,M_{\odot}$ . Left panel: Shock boundaries found from entropy maxima ( red ) and the logarithmic slope of entropy ( orange

实验结果

研究问题

• RQ1 星系团质量晕中，气体吸积冲击半径与暗物质 splashback 半径之间的角向关系如何？
• RQ2 R_sh/R_sp 的偏移如何随环境（空洞 vs 纤维）以及晕的质量和吸积率等晕属性变化？
• RQ3 边界定义与叠加选择如何影响观测中的偏移量及其解释？
• RQ4 在红移演化过程中，尤其在合并阶段，splashback 与冲击边界是否协同演化？

主要发现

• 冲击边界与 splashback 边界之间存在持续的偏移，R_sh/R_sp≈1.3–2，取决于方法学选择。
• 偏移主要由空洞方向驱动，在这些区域冲击比 splashback 更偏外；在纤维方向边界半径更为接近。
• 使用基于分散的 splashback 估计量时，R_sp 的数值高于基于密度的方法；全样本的中位比值为 R_sh/R_sp ≈ 1.34^{+0.17}_{-0.13}（TNG300-1）和 1.31^{+0.14}_{-0.12}（TNG-Cluster）。
• 即使使用传统的基于密度斜率的 splashback 测量，偏移仍然存在，给出更大的偏移量（约 2.10^{+0.39}_{-0.26}）。
• Splashback 半径的方向性散布小于冲击半径，冲击在方向上呈现更明显的环境驱动变异。
• 在空洞方向，中位比仍大于 1（掩蔽纤维方向时约 1.42–1.47），而在纤维方向比值约为 1.00–1.03，表明在这些方向上边界几乎重合。

Figure 2 : Radial profiles ( top row ) and their logarithmic slopes ( bottom row ) for gas properties in the same individual cluster from Figure 1 . The columns compare the angular median profiles (left) with profiles along a representative void (middle) and filamentary (right) direction. The specif