[论文解读] Fossil Groups Origins III. Characterization of the sample and observational properties of fossil systems

S. Zarattini, R. Barrena+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 70被引用 19

一句话总结

本研究利用拉普拉斯-牛顿望远镜、北欧光学望远镜和国家伽利略望远镜的深 r 波段成像与光谱数据，结合 SDSS-DR7 数据，对 34 个化石星系团候选体进行了重新评估。基于在 0.5 R₂₀₀ 范围内 Δm₁₂ ≥ 2 mag 或 Δm₁₄ ≥ 2.5 mag 的幅度间隙标准，确认了 15 个系统为真正的化石星系团。结果表明，化石星系团是正常星系团的极端情况，其最亮中央星系（BGG）和更高的 BGG 光度分数显著，支持合并演化作为化石星系团的起源机制。

ABSTRACT

(Abridged) Fossil systems are group- or cluster-sized objects whose luminosity is dominated by a very massive central galaxy. In the current cold dark matter scenario, these objects formed hierarchically at an early epoch of the Universe and then slowly evolved until present day. That is the reason why they are called {\it fossils}. We started an extensive observational program to characterize a sample of 34 fossil group candidates spanning a broad range of physical properties. Deep $r-$band images were taken for each candidate and optical spectroscopic observations were obtained for $\sim$ 1200 galaxies. This new dataset was completed with SDSS DR7 archival data to obtain robust cluster membership and global properties of each fossil group candidate. For each system, we recomputed the magnitude gaps between the two brightest galaxies ($Δm_{12}$) and the first and fourth ranked galaxies ($Δm_{14}$) within 0.5 $R_{ m 200}$. We consider fossil systems those with $Δm_{12} \ge 2$ mag or $Δm_{14} \ge 2.5$ mag within the errors. We find that 15 candidates turned out to be fossil systems. Their observational properties agree with those of non-fossil systems. Both follow the same correlations, but fossils are always extreme cases. In particular, they host the brightest central galaxies and the fraction of total galaxy light enclosed in the central galaxy is larger in fossil than in non-fossil systems. Finally, we confirm the existence of genuine fossil clusters. Combining our results with others in the literature, we favor the merging scenario in which fossil systems formed due to mergers of $L^\ast$ galaxies. The large magnitude gap is a consequence of the extreme merger ratio within fossil systems and therefore it is an evolutionary effect. Moreover, we suggest that at least one candidate in our sample could represent a transitional fossil stage.

研究动机与目标

• 对 34 个化石星系团候选体在多样化物理属性下的广泛样本进行表征。
• 基于稳健的幅度间隙标准（在 0.5 R₂₀₀ 内 Δm₁₂ ≥ 2 mag 或 Δm₁₄ ≥ 2.5 mag）确定化石状态，同时考虑测量不确定性。
• 比较化石与非化石星系团的观测特性，重点关注 BGG 光度、星系光度分数及速度 dispersion。
• 评估化石星系团是否代表早期合并过程的演化残余，或星系团演化中的过渡阶段。
• 调查真实化石星系团的存在性，并识别潜在的过渡化石阶段。

提出的方法

• 利用 2.5 米拉普拉斯-牛顿望远镜和北欧光学望远镜获取深 r 波段成像。
• 使用 3.5 米国家伽利略望远镜对约 1200 个星系进行光学光谱观测。
• 将新数据与 SDSS-DR7 的档案数据结合，以推导稳健的星系团成员关系与整体属性。
• 通过平均星等（Petrosian、模型及 SExtractor MAG-BEST）在 0.5 R₂₀₀ 范围内计算幅度间隙 Δm₁₂ 与 Δm₁₄，以最小化卫星污染的影响。
• 若在误差范围内满足 Δm₁₂ ≥ 2 mag 或 Δm₁₄ ≥ 2.5 mag，则将系统分类为化石。
• 分析幅度间隙与 BGG 光度、BGG 光度分数（L_BGG/L_tot）及速度 dispersion（σ_v）之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于更新的幅度间隙测量，34 个候选系统的真实化石状态是什么？
• RQ2 化石星系团与非化石星系团在 BGG 光度与光度分数方面的观测特性有何差异？
• RQ3 化石星系团是否遵循与非化石星系团相同的标度关系（如 L_BGG/L_tot–σ_v），还是作为极端异常值存在？
• RQ4 是否存在可能代表过渡化石阶段的化石星系团候选体？其支持证据是什么？
• RQ5 化石星系团中较大的幅度间隙更可能由合并演化情景解释，还是由星系团形成失败情景解释？

主要发现

• 基于幅度间隙标准，确认了 15 个系统（置信区间为 15⁺⁸₋₄）为真正的化石星系团。
• 化石星系团拥有最亮的中央星系（BGG），且其在总星系光度中的占比显著高于非化石星系团。
• 化石与非化石星系团均遵循 L_BGG/L_tot–σ_v 关系，但化石星系团是极端情况：在任意给定速度 dispersion 下，其 BGG 更明亮。
• 幅度间隙与 BGG 光度强相关：Δm₁₂ 越大，BGG 越明亮。
• 系统 FGS06 被识别为可能的过渡化石阶段，其经历了近期吸积，表明其过去曾是化石星系团，但目前并非。
• 缺乏具有暗淡 BGG 但幅度间隙较大的系统，排除了化石中明亮 BGG 为星系团演化中短暂阶段的可能性，支持合并演化作为主导形成机制。