[论文解读] Galaxy population properties of the massive X-ray luminous galaxy cluster XDCP J0044.0-2033 at z=1.58: red-sequence formation, massive galaxy assembly, and central star formation activity

R. Fassbender, A. Nastasi+21 more|Americanae (AECID Library)|Jun 11, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 92被引用 26

一句话总结

本研究利用多波段观测，调查了红移 z=1.58 的大质量、X射线明亮星系团 XDCP J0044.0-2033 中的星系群体，以探究高密度环境中星系的演化。研究发现，质量抑制（quenching）在约 1 Gyr 的 timescale 上主导了环境抑制，其机制为快速并合与质量聚集，从而塑造了红色序列和过渡星系；最亮星系团星系（BCG）正通过持续的并合经历快速演化。

ABSTRACT

We investigate various galaxy population properties of the massive X-ray luminous galaxy cluster XDCP J0044.0-2033 at z=1.58, which constitutes the most extreme matter density peak at this redshift currently known. We analyze deep VLT/HAWK-I NIR data in the J- and Ks-bands, complemented by Subaru imaging in i and V, Spitzer observations at 4.5 micron, and new spectroscopic observations with VLT/FORS2. We detect a cluster-associated excess population of about 90 galaxies, which follows a centrally peaked, compact NFW galaxy surface density profile with a concentration of c200~10. Based on the Spitzer 4.5 micron imaging data, we measure a stellar mass fraction of fstar,500=(3.3+-1.4)% consistent with local values. The total J- and Ks-band galaxy luminosity functions of the core region yield characteristic magnitudes J* and Ks* consistent with expectations from simple z_f=3 burst models. However, a detailed look at the morphologies and color distributions of the spectroscopically confirmed members reveals that the most massive galaxies are undergoing a very active mass assembly epoch through merging processes. Consequently, the bright end of the cluster red-sequence is not in place, while at intermediate magnitudes [Ks*,Ks*+1.6] a red-locus population is present, which is then sharply truncated at magnitudes fainter than Ks*+1.6. The dominant cluster core population comprises post-quenched galaxies transitioning towards the red-sequence at intermediate magnitudes, while additionally a significant blue cloud population of faint star-forming galaxies is present even in the densest central regions. Our observations lend support to the scenario in which the dominant effect of the dense z~1.6 cluster environment is an accelerated mass assembly timescale through merging activity that is responsible for driving core galaxies across the mass quenching threshold of log(Mstar/Msun)~10.4.

研究动机与目标

• 理解在 z=1.58 的大质量、高红移星系团中红色序列的形成与演化。
• 探究环境过程与星系内在质量抑制在致密星系团核心塑造星系群体中的作用。
• 确定最亮星系团星系（BCG）的演化状态及其向红色序列巨星演化的时间尺度。
• 将观测到的星系颜色-星等分布与半分析模型和流体动力学模拟进行比较，以检验抑制机制。
• 评估在宇宙早期，质量抑制与环境抑制在塑造观测到的星系群体中相对重要性。

提出的方法

• 利用 ESO/VLT、Spitzer 和 Chandra 的多波段测光与光谱数据，测量星系场中的星等、颜色与红移。
• 基于颜色-星等空间，将星系群体分类为四类：蓝色星形成星系（类型 4）、红色序列星系（类型 1）、过渡星系（类型 2）和红色区域星系（类型 3）。
• 在 0–300 kpc 的投影星系团中心径向范围内，分析各类星系的分布，以评估星系群体的空间趋势。
• 通过 Ks 波段星等与星系团速度 dispersion 估算星族质量与动力摩擦 timescale，以推断 BCG 的演化 timescale。
• 将观测结果与半分析模型（Menci et al. 2008, Bertone et al. 2007, Gabor & Davé 2012）的预测进行比较，以评估抑制机制。
• 在 log(M*/M☉) ≈ 10.4 处识别出质量抑制阈值，此时红色区域星系群体出现急剧截断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z=1.58 的 XDCP J0044.0-2033 星系团致密核心中，主导塑造星系群体的抑制机制是什么？
• RQ2 最亮星系团星系（BCG）通过并合与质量聚集向红色序列演化的速度有多快？
• RQ3 观测到的星系颜色-星等分布在多大程度上与当前半分析和流体动力学模型的预测相符？
• RQ4 过渡星系与红色序列星系的径向分布如何？其分布如何反映环境效应？
• RQ5 在这一高红移星系团环境中，星系抑制在何种恒星质量阈值下变得有效？

主要发现

• 红色序列星系在 100–300 kpc 的径向范围内达到约 35% 的峰值比例，并向星系团中心下降，表明核心区域红色序列被截断。
• BCG 位于 X 射线中心 70 kpc 处，颜色呈现蓝移（类型 2 过渡星系），且形态高度扭曲，表明正在进行多方向的并合。
• BCG 在 100 kpc 内的恒星质量约为 1.5 × 10¹² M☉，动力摩擦 timescale 小于 100 Myr，表明其正以极快速度演化为一个红色、紧凑且大质量的系统。
• Gabor & Davé (2012) 的星系演化模型与观测结果匹配最佳，其模型在 ~3 × 10¹⁰ M☉ 的阈值以上表现出高效的质量抑制。
• 质量抑制作用 timescale 约为 1 Gyr，而环境抑制作用 timescale 约为 2–3 Gyr，表明在塑造观测到的星系群体中，质量抑制占主导地位。
• 在 log(M*/M☉) ≈ 10.4 处红色区域星系群体的急剧截断表明，星系团环境能有效驱动星系跨越抑制的关键质量阈值，而环境效应仅在后期才变得显著。