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

技術要約：S-PLUS Fornaxプロジェクト (S+FP)：宇宙論的流体シミュレーションにおけるFornax型クラスター

問題と背景
Fornax（車寄せ座）銀河団は、最も近傍にある豊かな銀河団の第2位であり、高密度環境における銀河進化を研究するための重要な実験場となっている。Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) による最近の観測は、Fornaxに関する前例のないマルチバンド・フォトメトリ・データを提供し、その銀河集団および周辺領域に関する新たな特徴を明らかにしている。しかし、これらの観測結果を解釈するには、これらのシステムの起源と進化を追跡するための理論的枠組みが必要である。これまでの宇宙論的シミュレーションはFornaxの側面をモデル化してきたが、一貫したフォトメトリ手法を用いてS-PLUSのデータと直接比較できる、堅牢な「Fornax型」システムのカタログが必要とされている。

手法
著者らは、2つの最先端の宇宙論的流体シミュレーション・スイート、eagle（具体的にはRefL0100N1504ラン）および IllustrisTNG（具体的にはTNG50、TNG100、およびTNG300ラン）から抽出されたFornax銀河団のアナログ（類似系）を分析した。

1. 選択基準:

   • グローバルな制約: 初期候補は、Fornaxの文献値の推定と一致するように、赤方偏移 $z=0$ において $10^{13} M_\odot \le M_{200} \le 10^{14} M_\odot$ のビリアル質量範囲に基づいて選択された。
   • 中心銀河の制約: 各候補の中心銀河を、NGC 1399（Fornaxの中心銀河）の観測特性に基づいてフィルタリングし、サンプルを精査した。基準は以下の通りである：
     • ステラ質量：$1 \times 10^{11} M_\odot \le M_\star \le 5 \times 10^{11} M_\odot$
     • ステラ半質量半径：$20 \text{ kpc} \le R_{h,\star} \le 40 \text{ kpc}$
     • 視覚的形態：エッジオンおよびフェイスオンのレンダリングの目視確認による球状形態の確定。
   • 例外: TNG50シミュレーション（最高解像度だが最小のボリューム）については、すべての厳格な基準を満たすシステムが存在しなかったため、半径および形態の制約を緩和して最も類似したシステムを含めた。

2. 合成観測の生成:

   • 選択された各クラスター内のすべての銀河に対して、合成観測を生成するために skirt 放射伝達コードが用いられた。
   • 構成: コードは、S-PLUSサーベイの12バンド・フィルタ・システム（5つのブロードバンドおよび7つのナローバンド・フィルタ）に一致するように構成された。
   • 仮定: 計算コストを削減するため、放射伝達計算においてダストは無視された。したがって、得られる合成量は、内部および外部の消光が補正された観測量を表している。
   • 恒星源: 星粒子は単純恒星集団（SSP）として扱われた。若い集団（$t \le 10$ Myr）はMAPPINGS-IIIライブラリを用いてモデル化され、古い集団にはChabrier IMFを用いたGALAXEVモデルが使用された。
   • 出力: このプロセスにより、選択されたクラスター内のすべての銀河について、合成スペクトルエネルギー分布（SED）、等級、色、および模擬画像（データキューブ）が生成された。

主な貢献

• カタログの作成: 本論文は、eagleおよびIllustrisTNGから抽出され、実際のFornaxクラスターの質量および中心銀河の特性に一致するように精査された、シミュレーションによるFornax型クラスターのカタログを提供する。
• 手法の実装: シミュレーションの出力とS-PLUS観測との直接的な「アップル・トゥ・アップル（同等）」の比較を可能にするために、S-PLUSの12バンド用に構成されたskirtコードの特定の実装を紹介する。これは、シミュレーション・データベースにはネイティブには存在しないデータセットである。
• 最良の候補: 中心銀河と第2の質量最大銀河の間の空間分布、特にFornax/NGC 1316の構造を模倣する分離に基づき、4つの「最良の」Fornax型クラスター（各シミュレーション・ランから1つずつ）が特定された。

結果

• SEDおよびフォトメトリの一致: シミュレーションから導出された合成SEDおよびフォトメトリは、特に中心銀河（NGC 1399に相当）において、S-PLUS観測と良好な一致を示した。シミュレートされたスペクトルは、正規化された際のNGC 1399のSEDの形状と一致している。
• 色－等級図 (CMD): シミュレートされたCMDは、銀河のレッドシーケンス（赤色系列）を再現している。しかし、シミュレーションは観測と比較して「ブルークラウド（青色系列）」が希薄であり、いくつかのケース（特にTNG300およびTNG50）では明るい青色銀河の過剰が見られる。
• 空間分布: 最良の候補、特にTNG300は、クラスターコアとFornax A (NGC 1316) 領域の間の空間的サブストラクチャを再現しており、第2の質量最大銀河はビリアル半径の外側に位置している。
• 放射傾向: シミュレートされた銀河は、クラスター中心からの距離が大きくなるにつれて青くなる傾向を示しており、これはS-PLUSの観測と一致している。ただし、シミュレートされた色は、固定された位置において観測値よりも一般に約0.2 mag赤い。

意義と主張
本論文は、その選択基準と合成フォトメトリの手法が、Fornaxクラスターの信頼できるアナログを作成するのに適していると主張している。結果は、現在の宇宙論的シミュレーション（eagleおよびIllustrisTNG）が、レッドシーケンスや空間的サブストラクチャといったFornaxクラスターの主要な一般的特徴を再現する上で信頼できることを支持している。

著者らは、シミュレーションにおけるブルークラウドの過小評価や明るい青色銀河の過剰といった不一致が存在することを控えめに述べており、これらはシミュレーションにおけるクエンチング（星形成停止）メカニズムまたはAGNフィードバック・モデリングの過剰な効率性に起因すると考えている。彼らは、本研究が基礎的なステップであることを強調している。主な目的は、堅牢なサンプルと手法を確立することであり、それによって、後の論文（S-PLUS Fornaxプロジェクト内の後続論文）で提示されるであろう、より詳細な物理的解釈（例：星形成史、化学組成、運動学）が可能になる。生成された模擬データキューブおよび合成フォトメトリは、Fornaxクラスターの形成と進化を追跡するための、S-PLUS観測との厳密な比較のための貴重なリソースとして提示されている。