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

Sintesi Tecnica: Il Progetto S-PLUS Fornax (S+FP): Cluster simili a Fornax in simulazioni idrodinamiche cosmologiche

Problema e Contesto
Il cluster di Fornax, il secondo ammasso di galassie più vicino, rappresenta un laboratorio critico per lo studio dell'evoluzione delle galassie in ambienti densi. Recenti osservazioni condotte dal Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) hanno fornito dati fotometrici multibanda senza precedenti per Fornax, rivelando nuove caratteristiche riguardanti le sue popolazioni galattiche e le regioni circostanti. Tuttavia, l'interpretazione di questi risultati osservativi richiede un quadro teorico per tracciare l'origine e l'evoluzione di tali sistemi. Sebbene le simulazioni cosmologiche abbiano precedentemente modellato aspetti di Fornax, è necessario un catalogo robusto di sistemi simulati "simili a Fornax" che possano essere confrontati direttamente con i dati S-PLUS utilizzando metodologie fotometriche coerenti.

Metodologia
Gli autori hanno analizzato analoghi del cluster di Fornax estratti da due suite di simulazioni idrodinamiche cosmologiche allo stato dell'arte: eagle (specificamente la run RefL0100N1504) e IllustrisTNG (specificamente le run TNG50, TNG100 e TNG300).

1. Criteri di Selezione:

   • Vincoli Globali: I candidati iniziali sono stati selezionati sulla base di un intervallo di massa viriale di $10^{13} M_\odot \le M_{200} \le 10^{14} M_\odot$ a redshift $z=0$, coerente con le stime della letteratura per Fornax.
   • Vincoli della Galassia Centrale: Per raffinare il campione, la galassia centrale di ogni candidato è stata filtrata rispetto alle proprietà osservate di NGC 1399 (la galassia centrale di Fornax). I criteri includevano:
     • Massa stellare: $1 \times 10^{11} M_\odot \le M_\star \le 5 \times 10^{11} M_\odot$.
     • Raggio di semimasse stellare: $20 \text{ kpc} \le R_{h,\star} \le 40 \text{ kpc}$.
     • Morfologia visiva: Morfologia sferica confermata tramite ispezione visiva di rendering edge-on e face-on.
   • Eccezioni: Per la simulazione TNG50 (la risoluzione più alta ma il volume più piccolo), i vincoli di raggio e morfologia sono stati ammorbiditi per includere i sistemi più simili, poiché nessun cluster soddisfaceva tutti i criteri rigorosi.

2. Generazione di Osservazioni Sintetiche:

   • Il codice di trasferimento radiativo skirt è stato impiegato per generare osservazioni sintetiche per ogni galassia nei cluster selezionati.
   • Configurazione: Il codice è stato configurato per corrispondere al sistema di filtri a 12 bande del sondaggio S-PLUS (5 filtri a banda larga e 7 filtri a banda stretta).
   • Assunzioni: Per ridurre il costo computazionale, la polvere è stata trascurata nei calcoli del trasferimento radiativo; pertanto, le quantità sintetiche risultanti rappresentano osservazioni corrette per estinzione interna ed esterna.
   • Fonti Stellari: Le particelle stellari sono state trattate come Popolazioni Stellari로 Semplici (SSP). Le popolazioni giovani ($t \le 10$ Myr) sono state modellate utilizzando le librerie MAPPINGS-III, mentre le popolazioni più vecchie hanno utilizzato i modelli GALAXEV con una IMF di tipo Chabrier.
   • Output: Il processo ha generato distribuzioni spettrali di energia (SED) sintetiche, magnitudini, colori e immagini mock (data cube) per tutte le galassie nei cluster selezionati.

Contributi Chiave

• Creazione del Catalogo: Il paper fornisce un catalogo di cluster simili a Fornax estratti da eagle e IllustrisTNG, specificamente curati per corrispondere alla massa e alle proprietà della galassia centrale del reale cluster di Fornax.
• Implementazione Metodologica: Introduce una specifica implementazione del codice skirt configurata per le 12 bande S-PLUS, un dataset non nativamente disponibile nei database delle simulazioni. Ciò consente un confronto diretto, "mele con mele", tra gli output delle simulazioni e le osservazioni S-PLUS.
• Migliori Candidati: Quattro "migliori" cluster simili a Fornax sono stati identificati (uno per ogni run di simulazione) sulla base della loro distribuzione spaziale, in particolare la separazione tra la galassia centrale e la seconda galassia più massiccia, imitando la struttura Fornax/NGC 1316.

Risultati

• Accordo tra SED e Fotometria: Le SED sintetiche e la fotometria derivate dalle simulazioni mostrano un buon accordo con le osservazioni S-PLUS, particolarmente per le galassie centrali (analoghe a NGC 1399). Gli spettri simulati corrispondono alla forma della SED di NGC 1399 quando normalizzati.
• Diagrammi Colore-Magnitudine (CMD): I CMD simulati riproducono la sequenza rossa delle galassie. Tuttavia, le simulazioni mostrano una "blue cloud" più rada rispetto alle osservazioni e un eccesso di galassie blu brillanti in alcuni casi (notevolmente in TNG300 e TNG50).
• Distribuzione Spaziale: I migliori candidati, particolarmente TNG300, riproducono la sottostruttura spaziale tra il nucleo del cluster e la regione di Fornax A (NGC 1316), con la seconda galassia più massiccia situata al di fuori del raggio viriale.
• Trend Radiali: Le galassie simulate mostrano una tendenza a diventare più blu a distanze maggiori dal centro del cluster, in modo coerente con le osservazioni S-PLUS, sebbene i colori simulati siano generalmente $\sim 0.2$ mag più rossi rispetto ai valori osservati a parità di posizione.

Significatività e Affermazioni
Il paper sostiene che i suoi criteri di selezione e la metodologia di fotometria sintetica siano idonei per creare analoghi affidabili del cluster di Fornax. I risultati supportano l'affidabilità delle attuali simulazioni cosmologiche (eagle e IllustrisTNG) nel riprodurre le caratteristiche generali chiave di Fornax, come la sequenza rossa e la sottostruttura spaziale.

Gli autori notano con modestia che esistono discrepanze, in particolare riguardo alla sotto-popolazione della blue cloud nelle simulazioni e l'eccesso di galassie blu brillanti, che attribuiscono a una potenziale sovra-efficienza dei meccanismi di quenching o della modellazione del feedback degli AGN nelle simulazioni. Essi sottolineano che questo lavoro serve come passo fondamentale: l'obiettivo primario è stabilire un campione e una metodologia robusti per future interpretazioni fisiche più dettagliate (ad esempio, storie di formazione stellare, arricchimento chimico e cinematica), che saranno presentate in successivi lavori all'interno del Progetto S-PLUS Fornax. I data cube generati e la fotometria sintetica sono presentati come una risorsa preziosa per confronti rigorosi con le osservazioni S-PLUS per tracciare la formazione e l'evoluzione del cluster di Fornax.