코마 은하단의 구상성단계에 대한 광역 탐사 연구

Abstract

Globular clusters(GCs) are old (> 10 Gyr) star clusters observed in various environments. By studying GCs within galaxies or galaxy clusters, we can infer the evolutionary history of the environment in which the GCs are located. GCs in galaxy clusters are found not only around galaxies but also between galaxies. GCs that do not belong to galaxies, but are governed by the entire gravitational potential of the galaxy cluster are called intracluster GCs (ICGCs), and they track the mass distribution of the galaxy cluster. ICGCs have been observed in several nearby and distant galaxy clusters, and their physical nature was largely studied in cosmological simulations. Coma cluster (Abell 1656) is the most massive galaxy cluster in the local universe (z < 0.1) and is known to have several actively merging substructures. The two best-known subclusters are the Coma main cluster, which contains the two brightest galaxies NGC 4874 and NGC 4889, and the NGC 4839 group, infalling towards the center of Coma in a southwestern direction. It is still controversial whether the NGC 4839 group is undergoing the first infall towards the Coma core, or it has already passed the center of Coma and is in the second phase of infall. Previous Coma ICGC studies utilized Hubble Space Telescope (HST) data and analyzed the color and spatial distribution of GC systems within Coma cluster core. However, they only cover about 1.7% of the area within the virial radius (~2.8 Mpc, 1.61 deg), thus they analyzed a limited population of Coma ICGCs, not the entire distribution in the cluster. Previous studies of NGC 4839 GC systems obtained color distribution of GCs and GC total number. However, they did not discuss the spatial distribution of GCs and whether it shows a correlation with the process of merging with the Coma. In this study, we present a wide field survey of Coma GCs using Subaru/Hyper Suprime-Cam (HSC) gr archival data, supplemented with the archival HST images. We studied the ICGC distribution of Coma cluster and GC systems in NGC 4839, and this is the widest and deepest Coma GC study. In the first part, we successfully surveyed the GCs of Coma cluster over its virial radius (~1.3 R_vir). ICGC spatial distribution is largely extended to almost 50% of the cluster virial radius but relatively concentrated toward the Coma center compared to the red sequence galaxies. The Coma ICGCs are extended in E-W and SW direction, along the general direction of Coma–Abell 1367 filament. This global structure of the GC systems is consistent with the spatial distribution of the intracluster light (ICL). Most of the ICGCs are dominated by the blue (metal-poor) GCs(> 70%) but a small proportion of red (metal-rich) GCs exists in the cluster outskirts. These results support the scenario that ICGCs are mainly originated from dwarf galaxies and some proportion from brighter galaxies. In the second part, we present the color and spatial distribution of GC systems in NGC 4839. NGC 4839 has a low red GC fraction comparable to that of NGC 4874 and other bright cluster member galaxies. The radial density distribution of the entire GCs in NGC 4839 is extended more than twice that of the NGC 4839 galaxy's surface brightness distribution. The GC spatial density distribution shows elongated and asymmetric morphology including a tail structure in the east. This supports the scenario that NGC 4839 has already crossed the Coma main cluster.

구상성단은 나이가 많은(> 100억년) 성단으로, 여러 환경에서 관측된다. 은하 또는 은하단 내의 구상성단들을 연구함으로써 속해있는 환경이 어떠한 역사를 겪었는지 유추할 수 있다. 은하단에 있는 구상성단들은 개개의 은하에 속해있기도, 그렇지 않기도 하다. 은하에 속해있지 않고 은하단 전체 중력 포텐셜에 묶여있는 구상성단들을 은하간 구상성단(ICGC)이라고 부른다. ICGC들을 통해 은하단의 질량 분포를 추적할 수 있다. 지금까지 여러 가깝고 먼 은하단들에서 ICGC가 관측되어왔으며 우주론적 시뮬레이션에서도 ICGC의 물리적 특성이 연구되었다. 코마 은하단(Abell 1656)은 가까이 있는(적색이동 < 0.1) 은하단들 가운데 가장 무거운 질량을 가지고 있으며, 여러 하부구조들의 활발한 병합이 일어나고 있는 은하단으로 알려져 있다. 가장 잘 알려진 하부구조는 중심부의 가장 밝은 두 은하 NGC 4874와 NGC 4889를 포함하는 중심부 은하군과 코마 은하단 중심부를 향해 병합하고 있는 남서쪽 방향의 NGC 4839 은하군이다. NGC 4839 은하군이 코마 은하단 중심부를 향해서 첫번째 병합을 겪고 있는 것인지 혹은 이미 한번 은하단 중심부를 지나쳤다가 두번째로 병합을 하는 것인지에 대해서는 의견이 분분하다. 코마 은하단의 ICGC를 연구한 선행 사례에서는 허블 우주 망원경 자료를 활용해 코마 은하단의 중심부에 대한 구상성단계의 공간적인 분포 형태 및 특성과 색지수 분포를 분석하였다. 그러나, 연구된 영역이 은하단 비리얼 반경(~2.8 Mpc, 1.61도) 내 넓이의 약 1.7%로 매우 제한적이고 코마 가장 중심부 은하들의 구상성단들에 대해서만 조사된 결과를 다루고 있기 때문에 코마 은하단 ICGC의 전체를 분석할 수 없었다. NGC 4839 은하의 구상성단계에 대한 선행연구들에서는 구상성단들의 색지수 분포와 구상성단 총 개수를 구하였지만 공간적으로 어떤 분포를 보이고 있는지 그리고 그것이 코마 은하단과의 병합과정과 어떠한 연관성을 보여주는지에 대해서는 전혀 논의하고 있지 않다. 본 연구에서는 광시야용 탐사 망원경 Subaru의 Hyper Suprime-Cam (HSC) gr 아카이브 자료를 활용해서 코마 은하단의 ICGC 분포에 대한 연구와 함께 NGC 4839 은하의 구상성단계에 대한 연구를 진행하였다. 이것은 코마 은하단의 구상성단 연구 중에서도 가장 넓고 깊은 연구이다. 첫번째 연구에서는 Subaru/HSC의 넓은 시야와 여러 필드 관측 자료를 활용해서 코마 은하단의 비리얼 반경 너머까지(~1.3 R_vir) 구상성단을 탐사하였다. 코마 은하단의 ICGC가 전체 비리얼 반경의 약 50%까지 분포해 있는 것을 최초로 발견하였으며, 왜소 은하들의 분포에 비해 상대적으로 은하단 중심부 방향으로의 분포 집중도가 높다는 사실을 확인하였다. ICGC는 동-서와 남서쪽 방향으로 넓게 퍼져 있으며 이것은 코마와 Abell 1367 은하단을 잇는 필라멘트 구조와 나란한 방향이다. 전체 ICGC 공간 분포 구조는 은하간 빛(ICL) 분포의 형태와 상당히 닮아있다. 대부분의 ICGC들은 푸른(중원소함량이 작은) 구상성단들로 구성되어 있으며(> 70%) 한편 붉은(중원소함량이 큰) 구상성단들도 적지 않은 비율이 은하단 외곽지역에 분포해 있다. 이러한 결과는 ICGC들 대부분이 왜소 은하로부터 기원하지만 일정 부분은 좀더 밝은 은하로부터도 떨어져 나온다는 선행 연구 결과를 잘 뒷받침한다. 두번째 연구에서는 NGC 4839 은하에 속한 구상성단계의 색지수와 공간분포 등을 조사하였다. NGC 4839 은하는 NGC 4874 그리고 다른 밝은 코마 은하단 은하들과 마찬가지로 붉은 구상성단의 비율이 낮았다. NGC 4839에 속한 전체 구상성단의 공간 분포는 NGC 4839 은하 표면밝기 분포의 약 2배까지 퍼져있다. 구상성단들의 2차원 공간 분포 형태는 타원형으로 늘어나고 비대칭적인 모양을 보이는데, 특히 동쪽 방향으로 인상적인 꼬리 모양 구조를 보이고 있다. 이러한 구조는 NGC 4839가 이미 코마 은하단 중심부를 한번 통과했다는 시나리오를 뒷받침한다.