[论文解读] Surface photometry of BCGs and intracluster stars in Lambda-CDM

Andrew P. Cooper, Liang Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本研究采用半解析粒子标记方法，应用于高分辨率ΛCDM N体模拟，以模拟最亮星系团星系（BCG）和星系间光（ICL）的表面光度。结果表明，超过90%的BCG恒星质量起源于被吸积的星系，其弥散外层成分由潮汐剥离形成，且在星系团中心μV ≈ 26.5 mag arcsec⁻²以下的80–95%恒星质量与BCG包层中的被吸积恒星相关。

ABSTRACT

We simulate the phase-space distribution of stellar mass in 9 massive Lambda-CDM galaxy clusters by applying the semi-analytic particle tagging method of Cooper et al. to the Phoenix suite of high-resolution N-body simulations (M200 = 7.5 to 33 x 10^14 Msol). The resulting surface brightness (SB) profiles of brightest cluster galaxies (BCGs) match well to observations. On average, stars formed in galaxies accreted by the BCG account for ~90 per cent of its total mass (the remainder is formed in situ). In circular BCG-centred apertures, the superposition of multiple debris clouds (each ~10 per cent of the total BCG mass) from different progenitors can result in an extensive outer diffuse component, qualitatively similar to a 'cD envelope'. These clouds typically originate from tidal stripping at z < 1 and comprise both streams and the extended envelopes of other massive galaxies in the cluster. Stars at very low SB contribute a significant fraction of the total cluster stellar mass budget: in the central 1 Mpc^2 of a z ~ 0.15 cluster imaged at SDSS-like resolution, our fiducial model predicts 80-95 per cent of stellar mass below a SB of mu_V = 26.5 mag arcsec^2 is associated with accreted stars in the envelope of the BCG. The ratio of BCG stellar mass (including this diffuse component) to total cluster stellar mass is ~30 per cent.

研究动机与目标

• 利用高分辨率模拟，建模ΛCDM星系团中BCG的表面亮度轮廓及其星系间光（ICL）。
• 确定BCG中恒星质量的起源与空间分布，特别是被吸积星系与原位形成对恒星质量的贡献。
• 评估潮汐剥离与并合历史在形成BCG弥散外层成分（类似cD包层）中的作用。
• 评估半解析模型与大质量星系团中观测到的低表面亮度恒星成分的一致性。
• 量化BCG与ICL中总星系团恒星质量的占比，并在不同空间分辨率与反馈假设下检验模型的收敛性。

提出的方法

• 将Cooper等人提出的半解析粒子标记方法应用于Phoenix高分辨率N体模拟系列（M200 ≈ 7.5–33 × 10¹⁴ M☉）。
• 通过标记并合前原星系中形成的粒子，追踪来自被吸积星系的恒星质量。
• 在BCG中心的圆形孔径内模拟表面亮度轮廓，以与观测数据对比。
• 采用表面亮度阈值μV ≈ 26.5 mag arcsec⁻²，以分离BCG中被吸积的成分。
• 通过测试子结构与恒星形成历史对空间分辨率的依赖性，评估数值收敛性。
• 将模拟的表面光度与Gonzalez等人（2007年）和Donzelli等人（2011年）的观测数据，以及理想化并合模拟进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 BCG恒星质量中有多大比例起源于被吸积星系，又有多少来自星系团环境中原位形成的恒星？
• RQ2 潮汐剥离与并合历史在形成BCG中弥散、低表面亮度成分方面起到何种作用？
• RQ3 在ΛCDM框架下，大质量星系团中观测到的星系间光（ICL）在多大程度上源于星系团星系被剥离的恒星？
• RQ4 带有粒子标记的半解析模型在多大程度上能再现BCG与ICL的观测表面亮度轮廓？
• RQ5 被吸积恒星对星系团中心1 Mpc²区域内恒星质量预算的贡献如何，特别是在低表面亮度水平下？

主要发现

• BCG中超过90%的总恒星质量起源于在被吸积星系中形成的恒星，其余部分为原位形成。
• BCG的弥散外层成分（类似cD包层）主要由多个不同原星系的碎片云叠加形成，每个碎片云贡献的恒星质量均≥BCG总质量的10%。
• 在红移z ≈ 0.15的星系团中心1 Mpc²区域内，表面亮度低于μV ≈ 26.5 mag arcsec⁻²的恒星质量中，80–95%与BCG包层中的被吸积恒星相关。
• BCG恒星质量（含弥散成分）与总星系团恒星质量之比约为30%。
• 以μV ≈ 26.5 mag arcsec⁻²为表面亮度截断，可恢复约30%的BCG恒星质量，其中几乎全部为被吸积恒星，且仅需约20%的修正即可覆盖其他星系成员的光度贡献。
• 模型与Gonzalez等人（2007年）和Donzelli等人（2011年）的观测结果高度一致，但与Bernardi等人（2012年）的SerExp关系相比，有效半径R₅₀偏高约0.2 dex，提示模型可能高估了原星系的光度。