[论文解读] The origin of HI-deficiency in galaxies on the outskirts of the Virgo cluster. I. How far can galaxies bounce out of clusters?

G. A. Mamon, Teresa Sanchis+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用 69

一句话总结

本文研究了在室女座星系团的virial半径之外观测到的H I缺乏旋涡星系，是否可能在穿越星系团核心后通过激波剥离（ram pressure stripping）损失了气体。利用平坦ΛCDM宇宙中的解析模型与宇宙学N体模拟，本文推导出一个简化的回转半径公式，并发现星系最多只能反弹至1至2.5倍virial半径的距离。由于观测到的H I缺乏星系远超此范围，作者得出结论：激波剥离不太可能是其成因，暗示可能存在其他机制，如潮汐相互作用或测量误差。

ABSTRACT

Spiral galaxies that are deficient in neutral Hydrogen are observed on the outskirts of the Virgo cluster. If their orbits have crossed the inner parts of the cluster, their interstellar gas may have been lost through ram pressure stripping by the hot X-ray emitting gas of the cluster. We estimate the maximum radius out to which galaxies can bounce out of a virialized system using analytical arguments and cosmological N-body simulations. In particular, we derive an expression for the turnaround radius in a flat cosmology with a cosmological constant that is simpler than previously derived expressions. We find that the maximum radius reached by infalling galaxies as they bounce out of their cluster is roughly between 1 and 2.5 virial radii. Comparing to the virial radius of the Virgo cluster, which we estimate from X-ray observations, these HI-deficient galaxies appear to lie significantly further away from the cluster center. Therefore, if their distances to the cluster core are correct, the HI-deficient spiral galaxies found outside of the Virgo cluster cannot have lost their gas by ram pressure from the hot intracluster gas.

研究动机与目标

• 确定星系在落入并穿过类似室女座星系团的virialized星系团后，能反弹到的最大距离。
• 评估在室女座星系团virial半径之外观测到的H I缺乏星系，是否可能在过往穿越星系团核心时通过激波剥离损失了气体。
• 在平坦ΛCDM宇宙学中，推导出一个简化的回转半径表达式，改进先前的公式。
• 利用宇宙学N体模拟验证解析结果，并分析暗物质晕的径向相空间结构。
• 利用X射线观测估算室女座星系团的物理virial半径，并与反弹半径比较，以评估激波剥离作为H I缺乏成因的合理性。

提出的方法

• 利用能量守恒和球对称物质壳在引力与暗能量作用下的运动方程，推导出平坦ΛCDM宇宙学中回转半径的解析表达式。
• 应用Zeldovich近似以考虑初始的特殊速度与密度扰动，改进了仅基于哈勃流的假设。
• 在150 Mpc的盒子中进行宇宙学N体模拟，使用256³颗粒，采用ΛCDM宇宙学参数（Ω₀=0.333，Λ₀=0.667，H₀=66.7 km s⁻¹ Mpc⁻¹，σ₈=0.88），并通过最小质量阈值的Friends-of-Friends算法识别晕。
• 分析模拟晕的径向相空间图（径向速度 vs. 径向距离），以识别吸积区、virialized区与反弹区。
• 分别通过推导出的回转半径公式进行解析计算，以及通过模拟中粒子轨迹进行数值计算，得到最大反弹半径。
• 根据X射线观测估算室女座星系团的virial半径，并与模拟得到的反弹半径比较，以检验激波剥离的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室女座星系团virial半径之外的H I缺乏星系，是否可能在过去的星系团核心穿越过程中通过激波剥离损失了气体？
• RQ2 在ΛCDM宇宙学中，星系在落入并穿过virialized星系团后，其最大反弹半径是多少？
• RQ3 平坦ΛCDM模型中的解析回转半径与宇宙学N体模拟的数值结果相比如何？
• RQ4 观测到的室女座星系团外围H I缺乏星系的距离，与理论反弹极限相比超出多少，从而对激波剥离假说构成挑战？
• RQ5 其他机制（如潮汐剥离或测量误差）是否可能解释这些遥远星系中观测到的H I缺乏现象？

主要发现

• 在平坦ΛCDM宇宙中，星系落入virialized星系团后，其最大反弹半径为1至2.5倍virial半径（r₁₀₀）。
• 解析推导得到的回转半径公式，以现时宇宙学参数（Ω₀, λ₀, δ₀）表示为一个简化立方方程，相比先前表达式更具可读性。
• N体模拟验证了解析预测：相空间中的反弹粒子相对于零速度线与吸积粒子对称，尽管受数值弛豫效应影响而略有弥散。
• 根据X射线观测估算的室女座星系团virial半径，与r₁₀₀定义（100倍临界密度）一致，支持其作为参考尺度的合理性。
• 由于观测到的H I缺乏星系远超2.5倍virial半径，作者得出结论：星系团内介质的激波剥离不太可能是其H I缺乏的原因。
• 本研究建议，应考虑其他机制——如距离估计错误、H I缺乏测量误差，或星系群中潮汐相互作用——以解释观测到的H I缺乏现象。