[论文解读] Jellyfish galaxies with the IllustrisTNG simulations -- Citizen-science results towards large distances, low-mass hosts, and high redshifts

Elad Zinger, Gandhali D Joshi+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2023

Marine Invertebrate Physiology and Ecology被引用 4

一句话总结

本论文通过Zooniverse平台开展公民科学项目，对IllustrisTNG模拟中的水母星系进行分类，识别出5,307个经视觉确认的水母星系，覆盖广泛的红移范围（最高至z=2）、宿主质量范围（10^10.4至10^14.6 M☉）以及径向位置——包括超出virial半径的区域。研究发现，水母星系比例随宿主质量增加而上升，随卫星星星质量降低而下降，且在低质量宿主、高红移及扩展晕区存在显著种群，拓展了激波剥离效应的已知参数空间。

ABSTRACT

We present the ``Cosmological Jellyfish'' project - a citizen-science classification program to identify jellyfish galaxies within the IllustrisTNG cosmological simulations. Jellyfish (JF) are satellite galaxies that exhibit long trailing gas features -- `tails' -- extending from their stellar body. Their distinctive morphology arises due to ram-pressure stripping (RPS) as they move through the background gaseous medium. Using the TNG50 and TNG100 simulations, we construct a sample of $\sim 80,000$ satellite galaxies spanning an unprecedented range of stellar masses, $10^{8.3-12.3}\,\mathrm{M_\odot}$, and host masses of $M_\mathrm{200,c}=10^{10.4-14.6}\,\mathrm{M_\odot}$ back to $z=2$ \citep[extending the work of][]{yun_jellyfish_2019}. Based on this sample, $\sim 90,000$ galaxy images were presented to volunteers in a citizen-science project on the Zooniverse platform who were asked to determine if each galaxy image resembles a jellyfish. Based on volunteer votes, each galaxy was assigned a score determining if it is a JF or not. This paper describes the project, the inspected satellite sample, the methodology, and the classification process that resulted in a dataset of $5,307$ visually-identified jellyfish galaxies. We find that JF galaxies are common in nearly all group- and cluster-sized systems, with the JF fraction increasing with host mass and decreasing with satellite stellar mass. We highlight JF galaxies in three relatively unexplored regimes: low-mass hosts of $M_\mathrm{200,c}\sim10^{11.5-13}\,\mathrm{M_\odot}$, radial positions within hosts exceeding the virial radius $R_\mathrm{200,c}$, and at high redshift up to $z=2$. The full dataset of our jellyfish scores is publicly available and can be used to select and study JF galaxies in the IllustrisTNG simulations.

研究动机与目标

• 通过人类视觉分类在宇宙学模拟中识别水母星系，突破传统观测限制。
• 探索水母星系在低质量宿主晕（M_200,c ~ 10^11.5–13 M☉）、virial半径之外及高红移（最高至z=2）区域的普遍性与特性。
• 创建一个公开可用的、高保真度的视觉分类水母星系数据集，用于训练机器学习模型并验证未来的观测调查。
• 评估激波剥离在多样化环境和宇宙时间中的作用，特别是在未充分探索的区域。
• 通过基于Zooniverse的公民科学项目，让公众参与星系演化研究，提升科学素养与参与度。

提出的方法

• 从TNG50和TNG100模拟中选取约80,000个卫星星系样本，覆盖星星质量范围10^8.3至10^12.3 M☉，宿主质量范围10^10.4至10^14.6 M☉，延伸至红移z=2。
• 将星系图像呈现给Zooniverse平台上的志愿者，由其根据视觉形态判断是否为“水母”或“非水母”。
• 基于将星系识别为水母的志愿者比例计算分类得分，并应用阈值以确定最终的JF样本。
• 通过一个包含100个星系的试点项目验证了分类流程的一致性与可靠性。
• 最终整理出5,307个水母星系的数据集并公开发布，相关分析脚本已发布于GitHub。
• 本研究利用IllustrisTNG模拟的宽动态范围，探索了水母星系在宿主质量、红移和径向位置上的群体特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低质量宿主晕（M_200,c ~ 10^11.5–13 M☉）中，水母星系的比例是多少，此处激波剥离预期较弱？
• RQ2 水母星系在virial半径（R_200,c）之外有多普遍？其宿主与卫星星系的特性如何？
• RQ3 水母星系比例的红移演化特征如何，特别是在z > 1.5的原星系团和小群中？
• RQ4 水母星系的特性（如星星质量、宿主质量、径向位置）如何与可见性及分类置信度相关联？
• RQ5 公民科学能否在高分辨率宇宙学模拟中可靠地识别出多样化环境下的水母形态？

主要发现

• 本研究在TNG100和TNG50模拟中识别出5,307个经视觉分类的水母星系，形成一个可供未来研究公开使用的数据集。
• 水母星系比例随宿主质量增加而上升，随卫星星星质量降低而下降，与激波剥离的预期一致。
• 约25%的水母星系位于virial半径（R_200,c）之外，其中少数百分比位于2R_200,c之外，尤其在质量更高的宿主中更为显著。
• 在红移z=1.5–2时，水母星系存在于小群和原星系团（10^12–14 M☉）中，占这些系统卫星星系的约10%。
• 水母星系比例在z=0–2范围内随红移变化不大，但低星星质量区间的比例随红移降低而上升。
• 该数据集为未来机器学习应用提供了支持，初步测试表明在模拟水母形态上训练卷积神经网络具有强大潜力。