[논문 리뷰] Tracking the evolution of satellite galaxies: mass stripping and dark-matter deficient galaxies

Antonio D. Montero-Dorta, Facundo Rodríguez외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 z > 1에서 적합된 위성은하의 질량 진화를 추적하기 위해 IllustrisTNG 유체역학 시뮬레이션을 사용하며, 특히 가까운 펄라서스 통과 시에 발생하는 tidal stripping이 어두운 물질과 항성 질량 손실을 유도하여 거대한 군집 내에서 어두운 물질이 부족한 은하의 형성을 이끌고 있음을 보여준다. 결과는 극단적인 어두운 물질 부족 현상이 고적색도에서의 유입과 주변 헬라와의 매우 가까운 만남으로 인해 발생함을 확인한다.

ABSTRACT

Satellite galaxies undergo a variety of physical processes when they are accreted by groups and clusters, often resulting in the loss of baryonic and dark matter (DM) mass. In this work, we evaluate the predictions from the IllustrisTNG hydrodynamical simulation regarding the evolution of the matter content of satellites, focusing on a population that are accreted at $z>1$ and retain their identity as satellites down to $z=0$. At fixed host halo mass, the amount of DM and stellar mass stripped depends mostly on the pericentric distance, $d_{ m peri}$, here normalised by host halo virial radius. The closest encounters result in significant loss of DM, with subhaloes retaining between 20 and a few per cent of their $z=1$ mass. At fixed $d_{ m peri}$, DM mass stripping seems more severe in lower mass haloes. Conversely, the average satellite in higher mass haloes has its stellar mass growth halted earlier, having lost a higher fraction of stellar mass by $z=0$. We also show that mass stripping has a strong impact on the quenched fractions. The IllustrisTNG boxes are qualitatively consistent in these predictions, with quantitative differences mostly originating from the distinct subhalo mass ranges covered by the boxes. Finally, we have identified DM-deficient systems in all TNG boxes. These objects are preferentially found in massive clusters ($M_{ m host } \gtrsim 10^{13}$ M$_\odot$), had very close encounters with their central galaxies ($d_{ m peri}\simeq0.05\, R_{ m vir}$), and were accreted at high redshift ($z_{ m infall} \gtrsim 1.4$), reinforcing the notion that tidal stripping is responsible for their remarkable lack of DM.

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 프레임워크 내에서 z > 1에서 유입된 위성은하의 질량 진화를 이해하기 위해.
• 위성 서하우프의 어두운 물질과 항성 질량을 감소시키는 타이달 스트립핑의 역할을 정량화하기 위해.
• 특히 거대한 주변 헬라에서 어두운 물질이 부족한 은하가 형성되는 조건을 조사하기 위해.
• 질량 손실 및 억제 현상에 있어 TNG 시뮬레이션 박스(TNG300, TNG100, TNG50) 간 결과의 일관성을 평가하기 위해.
• 관측된 어두운 물질이 부족한 체계의 특성(예: NGC1052–DF2)을 시뮬레이션된 타이달 스트립핑 과정과 연결하기 위해.

제안 방법

• 서하우프 카탈로그를 사용하여 TNG300, TNG100, TNG50 세 가지 IllustrisTNG 시뮬레이션 박스에서 z > 1에서 z = 0까지 개별 위성은하를 추적하였다.
• 주변 헬라의 비르탈 반경(R_vir)으로 정규화된 펄라서스 거리(d_peri)를 계산하여 타이달 강도를 정량화하였다.
• d_peri, 주변 헬라 질량, 적색도에 따라 어두운 물질 및 항성 성분의 질량 손실을 측정하였다.
• z = 0에서 항성 질량이 어두운 물질 질량을 초과하는 체계(M*_star > M_DM)를 어두운 물질이 부족한 체계로 정의하였다.
• 모든 박스 간 일관성을 확보하기 위해 Rodriguez & Merchán (2020)의 군집 탐지 알고리즘을 사용하여 서하우프를 식별하고 헬라 질량을 추정하였다.
• 다양한 시뮬레이션 박스 간 결과를 비교하여 해상도 및 질량 범위 의존성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z > 1에서 유입된 위성은하의 어두운 물질 및 항성 질량 진화에 타이달 스트립핑이 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어두운 물질이 부족한 은하의 형성에 기여하는 주요 환경적 변수(예: d_peri, 주변 헬라 질량, 유입 적색도)는 무엇인가?
• RQ3 다양한 TNG 시뮬레이션 박스에서 주변 헬라 질량과 위성 항성 질량에 따라 질량 손실 및 억제 경향은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 시뮬레이션된 어두운 물질이 부족한 체계의 특성은 관측된 체계(예: NGC1052–DF2 및 DF4)와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 항성 질량 대 서하우프 크기 비율은 시간에 따라 어떻게 변화하며, 이 비율은 d_peri와 주변 질량에 의해 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 고정된 주변 헬라 질량에서, d_peri ≈ 0.05 R_vir인 서하우프는 z = 1 기준 어두운 물질 질량의 최대 98%를 상실하며, 잔류하는 비율은 2–20%에 그친다.
• 고정된 d_peri에서 어두운 물질 질량 손실은 더 낮은 질량의 주변 헬라에서 더 심각하여, 덜 질량이 큰 시스템에서 더 강한 타이달 장을 경험함을 시사한다.
• 항성 질량 성장은 더 높은 질량의 주변 헬라에서 더 이르게 멈추며, 더 강한 환경적 영향으로 z = 0 기준 더 높은 비율의 항성 질량을 상실한다.
• 질량 손실로 인해 위성의 억제 비율이 크게 증가하며, 특히 거대한 군집에서 더 강한 억제 현상이 관찰된다.
• 어두운 물질이 부족한 체계는 주로 M_host ≳ 10^13 M_sun인 주변 헬라에서, d_peri ≈ 0.05 R_vir이며, 유입 적색도 z_infall ≳ 1.4에서 발견된다.
• z = 0 기준 어두운 물질이 부족한 체계는 중심 은하로부터 약 ∼0.4 R_vir 거리에 위치하며, 공간적 산란이 크며, 이는 타이달 스트립핑이 주요 형성 메커니즘임을 확인한다.