[论文解读] The Young and the Wild: What happens to Protoclusters forming at z = 4?

Rhea–Silvia Remus, Klaus Dolag+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 6

一句话总结

本研究利用大规模磁流体动力学宇宙学模拟Magneticum，研究在z ≈ 4时形成的原星系团的演化，其性质与SPT2349-56类似。结果发现，尽管模拟中的原星系团在virialization、恒星形成率和气体金属度等观测属性上与真实系统匹配，但在z ≈ 4.2时的模拟原星系团中，没有一个能演化为z = 0时最质量的星系团，表明高红移质量指标对最终星系团质量的预测能力较差，且当前的亚网格模型无法再现极端的恒星形成效率。

ABSTRACT

Using one of the largest volumes of the hydrodynamical cosmological simulation suit Magneticum, we study the evolution of protoclusters identified at redshift = 4, with properties similar to SPT2349-56. We identify 42 protoclusters in the simulation, as massive and equally rich in substructures as observed, confirming that these structures are already virialized. The dynamics of the internally fast rotating member galaxies within these protoclusters resembles observations, merging rapidly to form the cores of the BCGs of the assembling clusters. Half of the gas reservoir of these structures is in a hot phase, with the metal-enrichment at a very early stage. These systems show a good agreement with the observed amount of cold star-forming gas, largely enriched to solar values. We predict that some of the member galaxies are already quenched at z = 4, rendering them undetectable through measurements of their gas reservoir. Tracing the evolution of protoclusters reveals that none of the typical mass indicators at high redshift are good tracers to predict the present-day mass of the system. We find that none of the simulated protoclusters with properties as SPT2349-56 at z = 4.3, are among the top ten most massive clusters at redshift z = 0, with some barely reaching masses of M = 2 x 10^14Msun. Although the average star-formation and mass-growth rates in the simulated galaxies match observations at high redshift reasonably well, the simulation fails to reproduce the extremely high total star-formation rates within observed protoclusters, indicating that the sub-grid models are lacking the ability to reproduce higher star-formation efficiency (or lower depletion timescales).

研究动机与目标

• 研究在z ≈ 4时形成、特别是性质与大质量SPT2349-56原星系团相似的原星系团的演化命运。
• 评估高红移观测属性（如virial质量、恒星形成率、丰富度）是否能可靠预测当前星系团的最终质量。
• 评估当前宇宙学模拟中亚网格模型在再现高红移原星系团中观测到的极端恒星形成率方面的表现。
• 探讨环境对星系熄灭的影响，并评估原星系团丰富度作为未来星系团质量预测因子的作用。

提出的方法

• 利用Magneticum磁流体动力学宇宙学模拟套件中最大的体积之一，识别并追踪42个在z ≈ 4.2时具有与SPT2349-56相似性质的原星系团。
• 应用相空间及基于相空间的亚结构检测方法，识别virialized核心和动态活跃的成员星系。
• 将模拟的恒星形成率、气体含量（热相与冷相）、金属度和熄灭分数与高红移观测结果进行比较。
• 追踪原星系团从z ≈ 4.2到z = 0的演化过程，评估高红移可观测量对最终星系团质量的预测能力。
• 使用Magneticum Pathfinder套件中的第二组模拟，包含15种宇宙学参数，量化作为红移函数的最高束缚质量及其对σ8的依赖性。
• 通过Detectivz巡天和COSMOS的数据进行观测对比，验证模拟中的红移和质量分箱结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≈ 4时具有SPT2349-56类似性质的原星系团是否会在z = 0时演化为最质量的星系团？
• RQ2 高红移可观测量（如virial质量、恒星形成率或丰富度）是否能可靠预测z = 0时的最终星系团质量？
• RQ3 当前宇宙学模拟中的亚网格模型在多大程度上能再现高红移原星系团中观测到的极端恒星形成率？
• RQ4 这些原星系团中成员星系的熄灭分数如何演化，环境效应在此过程中起什么作用？
• RQ5 高红移束缚系统最大质量能否作为σ8等宇宙学参数的约束？

主要发现

• 在z ≈ 4.2时具有SPT2349-56类似性质的42个模拟原星系团中，没有一个演化为z = 0时最质量的前十名星系团，其中部分仅达到M ≈ 2 × 10^14 M⊙的质量。
• 即使在z ≈ 4.2时最质量的原星系团中，也无一成为当今最质量的星系团，其中一个演化为质量极低的系统，M < 1 × 10^14 M⊙。
• 这些原星系团中一半的气体储备处于热相，且金属丰度在早期即达到太阳值，与观测结果一致。
• 模拟再现了恒星形成主序列和星 stellar 质量函数的一般趋势，但未能捕捉到真实原星系团中观测到的极高总恒星形成率。
• 成员星系的丰富度与未来星系团质量之间存在微弱相关性，但z ≈ 4.2时丰富度较低的系统仍可能演化为大质量星系团，限制了其预测能力。
• 高红移时的最高束缚质量是σ8的强示踪量，表明在高红移发现最质量系统可约束宇宙学参数。