FLAMINGO模拟揭示星系群和星系团热气体剖面中动力学活动的特征

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Signatures of dynamical activity in the hot gas profiles of groups and clusters in the FLAMINGO simulations

本研究利用FLAMINGO大体积流体动力学模拟，探究了红移z=1以内星系群和团的动力学状态特征。研究人员通过比较质量吸积率Γ与三种观测指标（恒星质量间隙ΔM14*、X射线浓度cX和X射线质心偏移?w?），发现质心偏移是最可靠的动力学状态代理。研究揭示了暗物质密度与Γ的径向相关性特征，并发现气体密度剖面的内禀散射随红移减小，特别是在星系群中。该研究为未来宇宙学巡天提供了重要的动力学诊断工具。

　　

在宇宙学研究中，星系团和星系群作为宇宙中最大的引力束缚体系，承载着揭示宇宙大尺度结构形成和演化的重要信息。这些庞然大物通过其质量和红移分布，为限制宇宙学基本参数提供了关键线索。然而，这些天体的动力学状态千差万别——从经历剧烈并合事件的"动荡"系统，到近乎平衡的"松弛"系统——这种多样性给精确测量其性质带来了巨大挑战。

传统理论认为，在固定红移下，星系团和星系群应当呈现自相似性，其观测特性随质量呈幂律关系。但现实远比理论复杂：持续的吸积和并合事件会扰动星系团内介质（ICM），产生冲击波；而活动星系核（AGN）或超新星反馈则通过向系统注入巨大能量，深刻改变星系周围的热气体环境。这些过程共同破坏了星系团在半径内的自相似性，特别是在内部区域。

随着eROSITA、阿塔卡马宇宙学望远镜、南极望远镜和暗能量光谱仪器等大型巡天项目的推进，天文学家获得了跨越X射线和光学波段的海量星系团数据。即将到来的Euclid和西蒙斯天文台项目更将推动这一领域进入新时代，这些新巡天对于发现更高红移（z≈1及以上）的星系团尤为重要，这将为改进宇宙学参数限制和寻找偏离标准宇宙学模型证据提供关键数据。

在此背景下，Lilia Correa Magnus等研究人员利用最先进的FLAMINGO流体动力学模拟套件，对模拟星系群和团的动力学状态进行了深入研究，旨在寻找低红移和高红移ICM剖面中动力学活动（或缺乏活动）的特征。研究团队有两个主要目标：一是量化前述动力学状态诊断方法在模拟中识别松弛和扰动星系团的可靠性；二是检验通过观测诊断得出的动力学状态测量值如何反映在星系团ICM剖面中。

研究团队运用了FLAMINGO模拟套件，该套件使用SWIFT代码模拟宇宙学、引力和流体动力学，采用SPHENIX光滑粒子流体动力学求解器。模拟的宇宙学设置采用了暗能量巡天第三年的ΛCDM宇宙学参数。子网格模型基于OWLS项目开发的基础构建，并融入了从CLOUDY辐射传输代码编制的冷却和加热速率表。恒星形成采用Schaye和Dalla Vecchia描述的方法实现，通过压力依赖的随机转换匹配观测到的Kennicutt-Schmidt定律。恒星反馈以风的形式通过质量转移机制实现，而超新星反馈则建模为核坍缩超新星的动能注入。黑洞的播种、增长和AGN反馈采用Booth和Schaye提出的方法，其中增长通过改进的Bondi-Hoyle吸积率建模。

研究人员分析了三个基准模拟：L1_m8（1 Gpc盒，3600³个重子粒子）、L1_m9（1 Gpc盒，1800³个重子粒子）和L2p8_m9（2.8 Gpc盒，5040³个重子粒子）。结构识别使用HBT-Herons（分层束缚追踪算法的改进版本），该算法在每个快照处使用朋友间算法识别自束缚物体，并整合先前输出来指导当前粒子关联步骤。同时使用了SOAP（球形过密度和孔径处理器）目录，其中包含一系列孔径上预计算的晕属性。

研究定义了四种动力学状态指标：晕质量吸积率（Γ），通过一动力学时标内的总质量变化计算；恒星质量间隙（ΔM₁₄^*），定义为第四大质量卫星星系与最亮星系（BCG）的恒星质量比；X射线质心偏移（?w?），测量X射线质心与星系团中心在多个孔径中的标准偏差；X射线光度浓度（c_X），计算为0.15R_500c内与R_500c内X射线光度之比。晕样本根据子结构标准定义，要求每个晕至少包含四个星系，且第四大质量天体至少包含20个恒星粒子。

低红移松弛和扰动状态

通过角图可视化各动力学指标对之间的相关程度发现，低红移星系群中各指标间仅呈现弱相关，而高质量星系团中相关性更强。X射线相关探针呈现对比结果：浓度在星系团中表现出比质心偏移明显更弱的相关性。研究团队基于分布定义了松弛和扰动子样本的界限值，发现质心偏移是最稳健的探针，而c_X和ΔM₁₄^*对分辨率和反馈模型细节更敏感。

与CHEX-MATE观测样本的比较显示，FLAMINGO星系团的log₁₀?w?值与X射线观测基本一致，但X射线浓度较低。即使是最弱的AGN反馈模型也无法产生与观测中最高浓度相近的星系团，这表明模拟在产生具有低中心熵和高中心X射线光度的幂律冷却核心星系团方面存在困难。

动力学状态指标随红移演化

研究发现，在固定红移下，较低质量的物体往往更早形成，通常比更大质量的星系团更具动力学松弛性，但也对反馈现象更敏感。随着红移增加，吸积率和质心偏移值增加，而浓度和恒星质量间隙减小，即固定质量的物体在较早时期较不松弛。

恒星质量间隙与红移的关系显示分辨率依赖性演化：m8运行的ΔM₁₄^*比m9运行具有更陡的梯度。浓度与红移的关系在分辨率间呈现明显差异，m8星系群在z=0.5处出现转折。质心偏移被证明是跨分辨率最稳健的探针，m8和m9趋势吻合良好，显示较大星系团和较高红移的系统平均更扰动。

可观测动力学探针与吸积率Γ的相关强度对红移的依赖性分析表明，最强相关性位于z=0（X射线相关量）和较高红移（恒星质量间隙）。星系团表现出异常的红移趋势，特别是c_X和log₁₀?w?具有与更高质量物体相反的趋势。

热力学剖面

通过应用界限将(M_500c, z)样本分割为扰动和松弛物体，并测量它们的中值气体剖面发现，松弛晕在核心外呈现较高程度的自相似性，而扰动物体显示非自相似演化：在固定质量下，并合物体在z=1时比其z=0对应体具有更高的密度和更低的温度。

为检查这些差异是否源于引力，研究团队绘制了相同L1_m9基准运行星系团的暗物质密度剖面。发现在两个红移下，松弛和扰动物体间存在清晰分离，松弛物体在小半径处具有更高的暗物质密度，而z=1物体在两种情况下均向较低密度移动。

气体剖面与动力学状态相关性

通过计算每个半径处热力学量与动力学状态指标之间的皮尔逊ρ发现，暗物质密度和Γ的剖面具有明确定义的形状，两个性质在小半径处呈反相关，在较大半径处呈正相关。这种剖面对于不同质量和红移非常相似，再次证实扰动物体在较大半径处具有更多质量。

气体电子密度的类似结果在z=0星系团中可见（信号最强），但在星系团尺度和z=1时部分被洗掉，其中冷却和反馈效应变得更普遍。在可观测动力学状态探针中，log₁₀?w?比ΔM₁₄^*更能反映Γ趋势。研究还发现最强AGN反馈的星系团中相关信号弱得多。

剖面散射

研究剖面散射随红移的演化发现，与暗物质密度随红移增加散射（反映这些系统在较高红移更扰动）不同，气体密度散射随红移减少，特别是在星系群中。暗物质分量的最小散射半径随质量和红移保持不变，但气体量的最小值位置随质量演化。

通过测量不同反馈模型的σ_int发现，气体密度散射中最小值位置随反馈强度移动，而暗物质分量的σ_int随模型和红移保持不变。特别是，最强反馈运行（fgas-8σ）的最小值在R_500c以上，且核心外有更多散射，而最弱反馈模型（fgas+2σ）的最小值接近暗物质，位于～0.7R_500c。

这项研究系统评估了动力学状态诊断方法在识别松弛和扰动星系团方面的可靠性，并深入分析了动力学活动特征在热气体热力学剖面中的体现。研究发现，尽管动力学活动在较高红移更常见，但其对热气体热力学剖面的影响越来越难以解耦。在早期时期，较小晕的丰度确保反馈主导系统在样本中占主导地位，增强了天体物理过程在塑造气体性质中的作用。如果得到证实，高红移气体剖面的多样性减少可以简化我们在深度X射线和SZ巡天中解释选择效应的方法。这对星系团宇宙学尤为重要，因为即将到来的Euclid和西蒙斯天文台巡天将更依赖高红移、低质量物体来增加样本大小和改进宇宙学测量，包括对结构增长率和暗能量状态方程的约束。

该研究发表于《Royal Astronomical Society月报》，为理解星系团和星系团的动力学演化提供了重要见解，特别是揭示了反馈过程在调节气体性质中的关键作用。研究结果表明，X射线质心偏移是表征动力学状态最可靠的观测代理，而气体剖面散射的最小值半径可作为反馈强度的有效诊断工具。这些发现对未来宇宙学巡天项目的数据分析和解释具有重要指导意义。