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

Resumo Técnico: O Projeto S-PLUS Fornax (S+FP): Agrupamentos do tipo Fornax em simulações hidrodinâmicas cosmológicas

Problema e Contexto
O aglomerado de Fornax, o segundo aglomerado rico mais próximo, serve como um laboratório crítico para o estudo da evolução de galáxias em ambientes densos. Observações recentes pelo Southern Photometric Local Universe Survey (S-PLUS) forneceram dados fotométricos multibanda sem precedentes para Fornax, revelando novas características relativas às suas populações de galáxias e regiões circundantes. No entanto, interpretar essas descobertas observacionais requer um arcabouço teórico para rastrear a origem e a evolução desses sistemas. Embora simulações cosmológicas tenham modelado aspectos de Fornax anteriormente, há uma necessidade de um catálogo robusto de sistemas simulados "do tipo Fornax" que possam ser diretamente comparados com os dados do S-PLUS usando metodologias fotométricas consistentes.

Metodologia
Os autores analisaram análogos do aglomerado de Fornax extraídos de dois conjuntos de simulações hidrodinâmicas cosmológicas de última geração: eagle (especificamente a execução RefL0100N1504) e IllustrisTNG (especificamente as execuções TNG50, TNG100 e TNG300).

1. Critérios de Seleção:

   • Restrições Globais: Candidatos iniciais foram selecionados com base em uma faixa de massa virial de $10^{13} M_\odot \le M_{200} \le 10^{14} M_\odot$ em $z=0$, consistente com estimativas da literatura para Fornax.
   • Restrições da Galáxia Central: Para refinar a amostra, a galáxia central de cada candidato foi filtrada contra propriedades observadas de NGC 1399 (a galáxia central de Fornax). Os critérios incluíram:
     • Massa estelar: $1 \times 10^{11} M_\odot \le M_\star \le 5 \times 10^{11} M_\odot$.
     • Raio de massa estelar efetivo: $20 \text{ kpc} \le R_{h,\star} \le 40 \text{ kpc}$.
     • Morfologia visual: Morfologia esférica confirmada via inspeção visual de renderizações de face e de perfil (edge-on e face-on).
   • Exceções: Para a simulação TNG50 (maior resolução, porém menor volume), as restrições de raio e morfologia foram relaxadas para incluir os sistemas mais similares, uma vez que nenhum aglomerado atendeu a todos os critérios rigorosos.

2. Geração de Observações Sintéticas:

   • O código de transferência radiativa skirt foi empregado para gerar observações sintéticas para cada galáxia nos aglomerados selecionados.
   • Configuração: O código foi configurado para corresponder ao sistema de filtros de 12 bandas do levantamento S-PLUS (5 filtros de banda larga e 7 filtros de banda estreita).
   • Premissas: Para reduzir o custo computacional, a poeira foi negligenciada nos cálculos de transferência radiativa; portanto, as quantidades sintéticas resultantes representam observações corrigidas para extinção interna e externa.
   • Fontes Estelares: Partículas estelares foram tratadas como Populações Estelares Simples (SSPs). Populações jovens ($t \le 10$ Myr) foram modeladas usando bibliotecas MAPPINGS-III, enquanto populações mais velhas usaram modelos GALAXEV com uma IMF de Chabrier.
   • Saídas: O processo gerou distribuições espectrais de energia (SEDs) sintéticas, magnitudes, cores e imagens fictícias (mock images/data cubes) para todas as galáxias nos aglomerados selecionados.

Principais Contribuições

• Criação de Catálogo: O artigo entrega um catálogo de aglomerados do tipo Fornax simulados a partir de eagle e IllustrisTNG, especificamente curados para corresponder à massa e às propriedades da galáxia central do verdadeiro Fornax.
• Implementação Metodológica: Introduz uma implementação específica do código skirt configurada para as 12 bandas do S-PLUS, um conjunto de dados não disponível nativamente nas bases de dados das simulações. Isso permite uma comparação direta, "maçã com maçã", entre os resultados das simulações e as observações do S-PLUS.
• Melhores Candidatos: Quatro "melhores" aglomerados do tipo Fornax foram identificados (um de cada execução de simulação) com base em sua distribuição espacial, particularmente a separação entre a galáxia central e a segunda galáxia mais massiva, mimetizando a estrutura Fornax/NGC 1316.

Resultos

• Concordância de SED e Fotometria: As SEDs sintéticas e a fotometria derivadas das simulações mostram boa concordância com as observações do S-PLUS, particularmente para as galáxias centrais (análogas à NGC 1399). Os espectros simulados coincidem com a forma observada da SED da NGC 1399 quando normalizados.
• Diagramas Cor-Magnitude (CMDs): Os CMDs simulados reproduzem a sequência vermelha (red sequence) de galáxias. No entanto, as simulações mostram uma "nuvem azul" (blue cloud) mais esparsa em comparação com as observações e um excesso de galáxias azuis brilhantes em alguns casos (notadamente em TNG300 e TNG50).
• Distribuição Espacial: Os melhores candidatos, particularmente do TNG300, reproduzem a subestrutura espacial entre o núcleo do aglomerado e a região de Fornax A (NGC 1316), com a segunda galáxia mais massiva localizada fora do raio virial.
• Tendências Radiais: As galáxias simuladas exibem uma tendência de se tornarem mais azuis em distâncias maiores em relação ao centro do aglomerado, consistente com as observações do S-PLUS, embora as cores simuladas sejam geralmente $\sim 0,2$ mag mais vermelhas do que as observadas em localizações fixas.

Significância e Alegações
O artigo afirma que seus critérios de seleção e metodologia de fotometria sintética são adequados para criar análogos confiáveis do aglomerado de Fornax. Os resultados apoiam a confiabilidade das atuais simulações cosmológicas (eagle e IllustrisTNG) em reproduzir características gerais fundamentais de Fornax, como a sequência vermelha e a subestrutura espacial.

Os autores observam modestamente que existem discrepâncias, particularmente quanto à subpopulação da nuvem azul nas simulações e ao excesso de galáxias azuis brilhantes, o que atribuem a uma potencial sobre-eficiência dos mecanismos de quenching ou do modelamento de feedback de AGN nas simulações. Eles enfatizam que este trabalho serve como um passo fundamental: o objetivo primário é estabelecer uma amostra e metodologia robustas para interpretações físicas mais detalhadas no futuro (por exemplo, histórias de formação estelar, enriquecimento químico e cinemática), que serão apresentadas em artigos subsequentes dentro do Projeto S-PLUS Fornax. Os cubos de dados (data cubes) e a fotometria sintética gerados são apresentados como um recurso valioso para comparações rigorosas com as observações do S-PLUS para rastrear a formação e a evolução do aglomerado de Fornax.