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

Technische Samenvatting: Het S-PLUS Fornax Project (S+FP): Fornax-achtige clusters in kosmologische hydrodynamische simulaties

Probleem en Context
De Fornax-cluster, de op één na dichtstbijzijnde rijke cluster, dient als een cruciaal laboratorium voor het bestuderen van de evolutie van sterrenstelsels in dichte omgevingen. Recente waarnemingen door de Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) hebben ongekende multi-band fotometrische gegevens voor Fornax geleverd, die nieuwe kenmerken onthullen met betrekking tot de populaties van sterrenstelsels en de omliggende regio's. De interpretatie van deze observationele bevindingen vereist echter een theoretisch kader om de oorsprong en evolutie van deze systemen te traceren. Hoewel kosmologische simulaties eerder aspecten van Fornax hebben gemodelleerd, is er behoefte aan een robuuste catalogus van gesimuleerde "Fornax-achtige" systemen die direct vergeleken kunnen worden met S-PLUS data met behulp van consistente fotometrische methodologieën.

Methodologie
De auteurs analyseerden analogen van de Fornax-cluster die zijn geëxtraheerd uit twee state-of-the-art kosmologische hydrodynamische simulatie-suites: eagle (specifiek de RefL0100N1504 run) en IllustrisTNG (specifiek de TNG50, TNG100 en TNG300 runs).

1. Selectiecriteria:

   • Globale beperkingen: Initiële kandidaten werden geselecteerd op basis van een viriaal massabereik van $10^{13} M_\odot \le M_{200} \le 10^{14} M_\odot$ bij roodverschuiving $z=0$, consistent met de literatuur schattingen voor Fornax.
   • Beperkingen centrale sterrenstelsel: Om de steekproef te verfijnen, werd het centrale sterrenstelsel van elke kandidaat gefilterd tegen geobserveerde eigenschappen van NGC 1399 (het centrale sterrenstelsel van Fornax). De criteria omvatten:
     • Stellaire massa: $1 \times 10^{11} M_\odot \le M_\star \le 5 \times 10^{11} M_\odot$.
     • Stellaire half-massa radius: $20 \text{ kpc} \le R_{h,\star} \le 40 \text{ kpc}$.
     • Visuele morfologie: Sferische morfologie bevestigd via visuele inspectie van edge-on en face-on weergaven.
   • Uitzonderingen: Voor de TNG50-simulatie (hoogste resolutie maar kleinste volume) werden de radius- en morfologiebeperkingen versoepeld om de meest gelijkaardige systemen op te nemen, aangezien geen enkele cluster aan alle strikte criteria voldeed.

2. Generatie van synthetische waarnemingen:

   • De skirt radiatieve transfer code werd ingezet om synthetische waarnemingen te genereren voor elk sterrenstelsel in de geselecteerde clusters.
   • Configuratie: De code werd geconfigureerd om overeen te komen met het 12-band filter systeem van de S-PLUS survey (5 breedband en 7 smalband filters).
   • Aannames: Om de computationele kosten te verlagen, werd stof genegeerd in de radiatieve transfer berekeningen; de resulterende synthetische grootheden vertegenwoordigen dus waarnemingen gecorrigeerd voor interne en externe extinctie.
   • Stellaire bronnen: Star particles werden behandeld als Simple Stellar Populations (SSP's). Jonge populaties ($t \le 10$ Myr) werden gemodelleerd met MAPPINGS-III bibliotheken, terwijl oudere populaties GALAXEV-modellen met een Chabrier IMF gebruikten.
   • Outputs: Het proces genereerde synthetische spectrale energieverdelingen (SED's), magnituden, kleuren en mock afbeeldingen (datacubes) voor alle sterrenstelsels in de geselecteerde clusters.

Belangrijkste Bijdragen

• Cataloguscreatie: Het artikel levert een catalogus van gesimuleerde Fornax-achtige clusters uit eagle en IllustrisTNG, specifiek gecureerd om overeen te komen met de massa en de eigenschappen van het centrale sterrenstelsel van de echte Fornax-cluster.
• Methodologische Implementatie: Het introduceert een specifieke implementatie van de skirt code geconfigureerd voor de 12 S-PLUS banden, een dataset die niet inherent beschikbaar is in de simulatie databases. Dit maakt een directe, "apples-to-apples" vergelijking mogelijk tussen de simulatie outputs en S-PLUS waarnemingen.
• Beste Kandidaten: Vier "beste" Fornax-achtige clusters werden geïdentificeerd (één uit elke simulatie run) op basis van hun ruimtelijke distributie, in het bijzonder de scheiding tussen het centrale sterrenstelsel en het tweede meest massieve sterrenstelsel, wat de Fornax/NGC 1316 structuur nabootst.

Resultaten

• SED en Fotometrische Overeenkomst: De synthetische SED's en fotometrie afgeleid van de simulaties vertonen een goede overeenkomst met S-PLUS waarnemingen, met name voor de centrale sterrenstelsels (analogen aan NGC 1399). De gesimuleerde spectra komen overeen met de geobserveerde vorm van de SED van NGC 1399 wanneer ze genormaliseerd worden.
• Kleur-Magnitude Diagrammen (CMD's): De gesimuleerde CMD's reproduceren de geobserveerde "red sequence" van sterrenstelsels. De simulaties tonen echter een minder dichte "blue cloud" vergeleken met waarnemingen en een overschot aan heldere blauwe sterrenstelsels in sommige gevallen (met name TNG300 en TNG50).
• Ruimtelijke Distributie: De beste kandidaten, met name uit TNG300, reproduceren de ruimtelijke substructuur tussen de clusterkern en de Fornax A (NGC 1316) regio, waarbij het tweede meest massieve sterrenstelsel zich buiten de viriaal radius bevindt.
• Radiale Trends: Gesimuleerde sterrenstelsels vertonen een trend waarbij ze blauwer worden op grotere afstand van de clusterkern, wat consistent is met S-PLUS waarnemingen, hoewel de gesimuleerde kleuren over het algemeen $\sim 0.2$ mag roder zijn dan de geobserveerde waarden op vaste locaties.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de selectiecriteria en de synthetische fotometrie methodologie geschikt zijn voor het creëren van betrouwbare analogen van de Fornax-cluster. De resultaten ondersteunen de betrouwbaarheid van huidige kosmologische simulaties (eagle en IllustrisTNG) bij het reproduceren van belangrijke algemene kenmerken van de Fornax-cluster, zoals de red sequence en ruimtelijke substructuur.

De auteurs merken bescheiden op dat er discrepanties bestaan, met name met betrekking tot de onderpopulatie van de blue cloud in simulaties en het overschot aan heldere blauwe sterrenstelsels, wat zij toeschrijven aan de potentiële overefficiëntie van quenching mechanismen of AGN-feedback modellering in de simulaties. Zij benadrukken dat dit werk dient als een fundamentele stap: het primaire doel is het vaststellen van een robuuste steekproef en methodologie voor toekomstige, meer gedetailleerde fysieke interpretaties (bijv. sterformatiegeschiedenissen, chemische verrijking en kinematica), die in opeenvolgende papers binnen het S-PLUS Fornax Project gepresenteerd zullen worden. De gegenereerde mock datacubes en synthetische fotometrie worden gepresenteerd als een waardevolle bron voor rigoureuze vergelijkingen met S-PLUS waarnemingen om de vorming en evolutie van de Fornax-cluster te traceren.