[论文解读] Coordinated Assembly of Galaxy Groups and Clusters in the IllustrisTNG Simulations

Meng Gu, Charlie Conroy+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Geophysics and Gravity Measurements被引用 10

一句话总结

本研究利用IllustrisTNG模拟展示了，在大质量星系团和星系群中，处于休眠状态的卫星星系表现出协调的形成历史：与同质量的场星系相比，它们更早被熄灭，形成恒星的速率更高，且恒星种群更古老。这一现象主要源于星系群预处理过程，即被吸积进入更高质量晕的星系，其落入与熄灭之间的时间延迟更短，导致恒星种群更古老，并表现出更高的[α/Fe]比值——这与大质量星系团中心星系的观测结果一致。

ABSTRACT

Recent stellar population analysis of early-type galaxy spectra has demonstrated that the low-mass galaxies in cluster centers have high [$α/ m Fe$] and old ages characteristic of massive galaxies and unlike the low-mass galaxy population in the outskirts of clusters and fields. This phenomenon has been termed "coordinated assembly" to highlight the fact that the building blocks of massive cluster central galaxies are drawn from a special subset of the overall low-mass galaxy population. Here we explore this idea in the IllustrisTNG simulations, particularly the TNG300 run, in order to understand how environment, especially cluster centers, shape the star formation histories of quiescent satellite galaxies in groups and clusters ($M_{200c,z=0}\geq10^{13} M_{\odot}$). Tracing histories of quenched satellite galaxies with $M_{\star,z=0}\geq10^{10} M_{\odot}$, we find that those in more massive dark matter halos, and located closer to the primary galaxies, are quenched earlier, have shorter star formation timescales, and older stellar ages. The star formation timescale-$M_{\star}$ and stellar age-$M_{\star}$ scaling relations are in good agreement with observations, and are predicted to vary with halo mass and cluster-centric distance. The dependence on environment arises due to the infall histories of satellite galaxies: galaxies that are located closer to cluster centers in more massive dark matter halos at $z=0$ were accreted earlier on average. The delay between infall and quenching time is shorter for galaxies in more massive halos, and depends on the halo mass at its first accretion, showing that group pre-processing is a crucial aspect in satellite quenching.

研究动机与目标

• 研究宇宙学模拟中是否能够重现观测到的星系群和星系团中协调的星系形成历史——例如低质量星系团核心星系的古老年龄和高[α/Fe]比值等恒星种群趋势。
• 确定星系熄灭历史和恒星种群性质中观测到的环境依赖性的物理解释。
• 量化星系群预处理在塑造大质量晕中星系熄灭 timescale 和恒星种群演化中的作用。
• 将模拟得到的恒星形成 timescale 和恒星年龄与星系质量及星系团中心距离之间的标度关系，与SDSS的观测数据进行对比。
• 评估星系首次落入时及z=0时刻的晕质量如何影响从落入到熄灭的时间延迟，以检验环境历史的重要性。

提出的方法

• 使用TNG300模拟运行，追踪在z=0时M200c ≥10^13 M☉的晕中，星族质量≥10^10 M☉的休眠卫星星系。
• 以z=0为参考，测量星系的落入时间和熄灭时间，利用每个卫星从被吸积到熄灭的完整相空间历史。
• 在主星系30 kpc范围内，使用恒星种群合成模型计算恒星形成 timescale（τ_SF）和质量加权恒星年龄。
• 按星系团中心距离（以R200c为单位）和z=0时宿主晕质量对星系进行分箱，以分析环境趋势。
• 分别计算经历星系群预处理（首次落入星系群）与直接落入最终星系团的星系，其首次落入与熄灭之间的时间延迟。
• 推导τ_SF、恒星年龄与星族质量之间的标度关系，并与Conroy等（2014）基于SDSS早期型星系光谱堆叠得到的观测数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 IllustrisTNG模拟是否再现了低质量星系团中心星系的协调形成历史，其特征为古老年龄和高[α/Fe]比值？
• RQ2 休眠卫星星系的恒星形成 timescale 和恒星年龄如何依赖于其宿主晕质量与星系团中心距离？
• RQ3 星系群预处理在决定大质量晕中卫星星系熄灭延迟中的作用是什么？
• RQ4 从落入到熄灭的时间延迟主要由首次落入时的晕质量决定，还是由z=0时的晕质量决定？
• RQ5 τ_SF 和恒星年龄与星族质量之间的模拟标度关系是否与SDSS早期型星系的观测数据一致？

主要发现

• 在大质量晕中心区域（M200c,z=0 ≥10^14 M☉）的休眠卫星星系，其被吸积和熄灭的时间平均早于质量较小或位于外围区域的星系。
• 在z=0时晕质量更大的星系具有更短的恒星形成 timescale（τ_SF）和更老的恒星年龄，且τ_SF-M⋆与年龄-M⋆关系在星系团中心处的斜率比场区更平缓。
• 在首次落入时晕质量更大的星系，其首次落入与熄灭之间的时间延迟更短，且该延迟与首次落入时的晕质量呈线性关系。
• 经历星系群预处理的星系，其熄灭延迟的中位数为1–4 Gyr；而直接落入星系团的星系，其延迟为0–3 Gyr，表明预处理过程加速了星系熄灭。
• 即使在控制了z=0时的最终晕质量后，经历预处理的星系仍被更快地熄灭，其在所有晕质量下均表现出更短的延迟时间。
• 熄灭延迟主要由首次落入时的晕质量决定，而非z=0时的最终晕质量，凸显了早期环境历史在塑造星系演化中的关键作用。