[论文解读] Caught in the rhythm II: Competitive alignments of satellites with their inner halo and central galaxy

Charlotte Welker, Chris Power+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究利用 Horizon-AGN 宇宙学流体动力学模拟，量化了在红移 0.3–0.8 范围内，卫星星系与其主星系及宿主晕的角动量轴和短轴的对齐情况。研究发现，在大质量晕中（$10^{12.5}-10^{13.5}M_\bigodot$），卫星星系倾向于与主星系的平面对齐，尤其是在盘状星系宿主中，这主要归因于重子反馈和富含涡度的吸积；而在更大半径区域，晕的三轴性与宇宙网丝状结构主导了对齐行为，削弱了简单通过晕形貌推断对齐关系的可行性。

ABSTRACT

The anisotropic distribution of satellites around the central galaxy of their host halo is well-documented. However the relative impact of baryons and dark matter in shaping this distribution is still debated. Using the simulation Horizon-AGN, the angular distribution of satellite galaxies with respect to their central counterpart and halo is quantified. Below one Rvir, satellites cluster more strongly in the plane of the central, rather than merely tracing the shape of their host halo. This is due to the increased isotropy of inner haloes acquired through their inside-out assembly in vorticity-rich flows along the cosmic web. While the effect of centrals decreases with distance, halos' triaxiality increases, impacting more and more the satellite's distribution. Effects become comparable just outside one virial radius. Above this scale, the filamentary infall also impacts the satellites distribution, dominating above two virial radii. The central's morphology plays a governing role: the alignment w.r.t. the central plane is four times stronger in haloes hosting stellar discs than in spheroids. But the impact of the galactic plane decreases for lower satellite-to-central mass ratios, suggesting this might not hold for dwarf satellites of the Local group. The orientation of the Milky-Way's satellites traces their cosmic filament, their level of coplanarity is consistent with systems of similar mass and cosmic location in Horizon-AGN. However, the strong impact of galactic planes in massive groups and clusters bounds the likelihood of finding a relaxed region where satellites can be used to infer halo shape. The minor-to-major axis ratios for haloes with log(M0/Msun)>13.5 is underestimated by 10%. This error soars quickly to 30-40% for individual halo measurements.

研究动机与目标

• 量化卫星星系在宇宙时空中与主星系及宿主晕形貌的相对对齐程度。
• 区分重子物理、晕三轴性与宇宙网丝状结构在塑造卫星角分布中的相对作用。
• 评估卫星分布是否能可靠地反映其宿主晕的短轴与长轴之比，尤其是在大质量系统中。
• 评估主星系形态（盘状 vs. 球状）对卫星对齐的影响及其对观测推断的启示。
• 检验银河系卫星平面是否与类似宇宙环境下的宇宙学模拟预测一致。

提出的方法

• 采用 Horizon-AGN 模拟，该模拟为大规模宇宙学流体动力学模拟，包含自洽的重子物理与暗物质成分。
• 分别利用暗物质粒子和恒星粒子识别晕与主星系，并计算其角动量与短轴方向。
• 追踪卫星分布相对于主星系与宿主晕在不同径向尺度上的关系，区分内区（≤1 Rvir）与外区（>1 Rvir）区域。
• 将宇宙网提取为密度脊线网络，以评估丝状结构吸积对卫星对齐的影响。
• 按质量分箱叠加晕以提升信噪比，并量化平均对齐趋势，尤其针对大质量星系团。
• 将模拟的卫星共面性与对齐特性与观测到的银河系卫星分布及宇宙丝状结构几何进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 卫星星系在不同径向尺度上如何与宿主晕及主星系的角动量轴和短轴对齐？
• RQ2 重子过程（如主星系盘的形成）在多大程度上增强卫星对齐于星系平面，而非仅依赖于晕形貌？
• RQ3 宇宙网丝状结构的影响在超过一个有效半径的区域如何影响卫星分布？
• RQ4 卫星分布能否可靠地推断其宿主晕的短轴与长轴之比，尤其是在大质量星系团中？
• RQ5 观测到的银河系卫星平面状对齐是否与类似质量与宇宙位置下宇宙学模拟的预测一致？

主要发现

• 质量超过其主星系质量 5% 的卫星星系，在主星系平面内的聚集程度高于晕形貌所预测的对齐，尤其在有效半径内表现更明显。
• 在拥有恒星盘的晕中，卫星对齐于主星系平面的强度比在球状星系宿主中高出四倍，尽管两者的内晕椭圆度相似。
• 对于质量在 $10^{12.5}M_\bigodot < M_0 < 10^{13.5}M_\bigodot$ 的晕，卫星对齐于晕短轴的强度在盘状宿主中比球状宿主强 40%。
• 在超过一个有效半径的区域，晕的三轴性主导了卫星对齐，其影响随距离增加而增强，且与主星系影响相当。
• 对于质量 $M_0 > 10^{13.5}M_\bigodot$ 的叠加晕，其短轴与长轴之比被低估约 10%，而单个晕测量的低估程度上升至 30–40%。
• 银河系卫星平面的取向与同质量与宇宙位置下模拟结果一致，且与本地宇宙丝状结构主轴对齐。