The S-PLUS Fornax Project (S+FP): Fornax-like clusters in cosmological hydrodynamical simulations

Resumen Técnico: El Proyecto S-PLUS Fornax (S+FP): Cúmulos de tipo Fornax en simulaciones hidrodinámicas cosmológicas

Problema y Contexto
El cúmulo de Fornax, el segundo cúmulo rico más cercano, sirve como un laboratorio crítico para estudiar la evolución de las galaxias en entornos densos. Observaciones recientes del Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) han proporcionado datos fotométricos multibanda sin precedentes para Fornax, revelando nuevas características respecto a sus poblaciones galácticas y regiones circundantes. Sin embargo, interpretar estos hallazgos observacionales requiere un marco teórico para rastrear el origen y la evolución de estos sistemas. Aunque las simulaciones cosmológicas han modelado aspectos de Fornax anteriormente, existe la necesidad de un catálogo robusto de sistemas "tipo Fornax" que pueda compararse directamente con los datos de S-PLUS utilizando metodologías fotométricas consistentes.

Metodología
Los autores analizaron análogos del cúmulo de Fornax extraídos de dos suites de simulaciones hidrodinámicas cosmológicas de vanguardia: eagle (específicamente la ejecución RefL0100N1504) e IllustrisTNG (específicamente las ejecuciones TNG50, TNG100 y TNG300).

1. Criterios de Selección:

   • Restricciones Globales: Se seleccionaron candidatos iniciales basados en un rango de masa virial de $10^{13} M_\odot \le M_{200} \le 10^{14} M_\odot$ en el redshift $z=0$, consistente con las estimaciones de la literatura para Fornax.
   • Restricciones de la Galaxia Central: Para refinar la muestra, la galaxia central de cada candidato fue filtrada contra las propiedades observadas de NGC 1399 (la galaxia central de Fornax). Los criterios incluyeron:
     • Masa estelar: $1 \times 10^{11} M_\odot \le M_\star \le 5 \times 10^{11} M_\odot$.
     • Radio de semimasa estelar: $20 \text{ kpc} \le R_{h,\star} \le 40 \text{ kpc}$.
     • Morfología visual: Morfología esférica confirmada mediante inspección visual de renderizados de cara y de canto (edge-on y face-on).
   • Excepciones: Para la simulación TNG50 (la de mayor resolución pero menor volumen), se relajaron las restricciones de radio y morfología para incluir los sistemas más similares, ya que ningún cúmulo cumplía con todos los criterios estrictos.

2. Generación de Observaciones Sintéticas:

   • Se empleó el código de transferencia radiativa skirt para generar observaciones sintéticas para cada galaxia en los cúmulos seleccionados.
   • Configuración: El código se configuró para coincidir con el sistema de filtros de 12 bandas del sondeo S-PLUS (5 filtros de banda ancha y 7 de banda estrecha).
   • Supuestos: Para reducir el costo computacional, se omitió el polvo en los cálculos de transferencia radiativa; por lo tanto, las cantidades sintéticas resultantes representan observaciones corregidas por extinción interna y externa.
   • Fuentes Estelares: Las partículas estelares fueron tratadas como Poblaciones Estelares Simples (SSP). Las poblaciones jóvenes ($t \le 10$ Myr) se modelaron utilizando librerías MAPPINGS-III, mientras que las poblaciones más antiguas utilizaron modelos GALAXEV con una IMF de Chabrier.
   • Salidas: El proceso generó distribuciones espectrales de energía (SED) sintéticas, magnitudes, colores y mapas de imagen simulados (cubos de datos) para todas las galaxias en los cúmulos seleccionados.

Contribuciones Clave

• Creación de Catálogo: El artículo entrega un catálogo de cúmulos tipo Fornax simulados de eagle e IllustrisTNG, específicamente curados para coincidir con la masa y las propiedades de la galaxia central del Fornax real.
• Implementación Metodológica: Introduce una implementación específica del código skirt configurada para las 12 bandas de S-PLUS, un conjunto de datos que no está disponible nativamente en las bases de datos de las simulaciones. Esto permite una comparación directa, de "manzanas con manzanas", entre los resultados de las simulaciones y las observaciones de S-PLUS.
• Mejores Candidatos: Se identificaron cuatro de los "mejores" cúmulos tipo Fornax (uno de cada ejecución de simulación) basados en su distribución espacial, particularmente la separación entre la galaxia central y la segunda galaxia más masiva, imitando la estructura Fornax/NGC 1316.

Resultados

• Acuerdo de SED y Fotometría: Las SED sintéticas y la fotometría derivadas de las simulaciones muestran una buena concordancia con las observaciones de S-PLUS, particularmente para las galaxias centrales (análogas a NGC 1399). Los espectros simulados coinciden con la forma de la SED de NGC 1399 cuando se normalizan.
• Diagramas Color-Magnitud (CMD): Los CMD simulados reproducen la secuencia roja de las galaxias. Sin embargo, las simulaciones muestran una "nube azul" más dispersa en comparación con las observaciones, y un exceso de galaxias azules brillantes en algunos casos (notablemente en TNG300 y TNG50).
• Distribución Espacial: Los mejores candidatos, particularmente de TNG300, reproducen la subestructura espacial entre el núcleo del cúmulo y la región de Fornax A (NGC 1316), con la segunda galaxia más masiva ubicada fuera del radio virial.
• Tendencias Radiales: Las galaxias simuladas exhiben una tendencia a volverse más azules a mayores distancias desde el centro del cúmulo, consistente con las observaciones de S-PLUS, aunque los colores simulados son generalmente $\sim 0.2$ mag más rojos que los observados en ubicaciones fijas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que sus criterios de selección y metodología de fotometría sintética son adecuados para crear análogos fiables del cúmulo de Fornax. Los resultados apoyan la fiabilidad de las simulaciones cosmológicas actuales (eagle e IllustrisTNG) para reproducir características generales clave del cúmulo de Fornax, como la secuencia roja y la subestructura espacial.

Los autores señalan modestamente que existen discrepancias, particularmente respecto a la baja población de la nube azul en las simulaciones y el exceso de galaxias azules brillantes, lo cual atribuyen a una posible sobreeficiencia de los mecanismos de quenching o del modelado de retroalimentación de AGN en las simulaciones. Enfatizan que este trabajo sirve como un paso fundacional: el objetivo principal es establecer una muestra y metodología robustas para interpretaciones físicas más detalladas (por ejemplo, historias de formación estelar, enriquecimiento químico y cinemática), que se presentarán en artículos posteriores dentro del Proyecto S-PLUS Fornax. Los cubos de datos simulados y la fotometría sintética generados se presentan como un recurso valioso para comparaciones rigurosas con las observaciones de S-PLUS para rastrear la formación y evolución del cúmulo de Fornax.