[論文レビュー] Shape and connectivity of groups and clusters: Impact of dynamical state and accretion history

Gouin, C., Tony Bonnaire+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 94被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、IllustrisTNGシミュレーションを用いて、銀河群・銀河クラスタの力学的状態と降着歴が、宇宙の網構造への形状と接続性にどのように影響を与えるかを調査する。質量の大きなハローは、非等方的降着のため、より楕円形で強く接続されている。未整理状態で最近形成されたハローは、より楕円形で強く接続されているが、整理された古きハローは球形で弱く接続されている。これは、非等方性と接続性が質量以外の形成歴の強力なトレーサーであることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 銀河群・クラスタの力学的状態と降着歴が、その形状と宇宙の網構造への接続性にどのように影響を与えるかを理解すること。
• 質量の影響を分離し、形成歴と安定状態がハローの非等方性に与える影響を解明すること。
• 楕円形度と接続性が、力学的状態と降着率の独立したトレーサーとして機能するかを検証すること。
• 特に質量の大きなクラスタにおいて、接続性が成長歴の代理指標として有意義であるかを評価すること。
• 観測データにおけるクラスタの形状と環境の解釈に役立つフレームワークを提供すること。

提案手法

• z = 0における大規模な流体ダイナミクスシミュレーションであるIllustrisTNGを用い、約2400のグループ・クラスタを分析した。
• R200内におけるダークマター粒子の慣性テンソルを用いてハローの楕円形度を定義し、形状の非等方性を測定した。
• 密度場にウォーターシェド変換を適用し、各ハローに接続するフィラメント数として接続性を定量化した。
• 部分構造と速度分散に基づく力学的状態推定器を用いて、ハローを整理されたと未整理の2群に分類した。
• 質量のバイン（M200 > 10^13.5 M⊙/h）ごとに統計解析を行い、質量の影響を力学的状態の影響から分離した。
• 接続性と楕円形度を降着率および形成赤方偏移と相関させ、成長歴を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グループまたはクラスタの力学的状態は、その楕円形度と宇宙の網構造への接続性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 楕円形度と接続性は、ハロー形成歴の同じ側面をトレースしているのか、それとも異なる側面をトレースしているのか、どの程度の程度で異なるのか？
• RQ3 質量を除いても、ハローの接続性と降着率の間に相関があるか？
• RQ4 質量バインごとに、整理されたハローと未整理のハローは、形状と環境的接続性でどのように異なるか？
• RQ5 接続性と楕円形度は、ハローの力学的状態と成長率の独立した指標として機能するか？

主な発見

• 質量はハローの幾何学的形状を決定づける主要要因である：質量の大きなハローは顕著に楕円形で、宇宙の網構造への接続が強い。
• 質量を超えて、楕円形度と接続性は強く相関しており、同じ成長速度の背後にある起源を示しており、降着ダイナミクスに起因する共通の起源を示している。
• 質量を補正した後でも、未整理のハローは整理されたハローと比べて平均的により楕円形で、より強く接続されている。これは、非等方性が力学的状態を反映していることを示している。
• 整理されたハローは通常古く、球対称で、接続性が弱い。これは、ゆっくりと緩和され、方向性のある降着の痕跡を失ったためである。
• 未整理のハローは若く、急速に降着しており、強い非等方性を示し、フィラメントに強く接続されている。これは、フィラメントを介した進行中の形成を示している。
• 質量を固定した場合、宇宙の網構造の節点に位置するハローはフィラメントに位置するハローと比べて高い降着率を示しており、接続性が成長率と相関していることを確認した。