Environmental Effects on Ultra-diffuse Galaxies and Jellyfish Galaxies in Massive Galaxy Clusters

Abstract

가스를 지닌 은하는 은하단과 같은 고밀도 환경에서 다양한 환경 효과를 받으며 가스를 잃어버린다. 환경 효과는 은하의 가스와 별에 전반적으로 큰 영향을 미치는데, 그 결과 은하단에는 다양한 은하 종족이 생겨나기도 한다. 그 중 크고 희미한 은하 (ultra-diffuse galaxies)와 해파리은하 (jellyfish galaxies)는 환경 효과를 받는 대표적인 은하 종족들이다. 크고 희미한 은하는 일반적인 왜소은하와 표면 밝기가 비슷하지만 크기가 우리은하만큼 큰 은하이다. 해파리은하는 충차압으로 인해 가스가 쓸려나가면서 새로운 별을 생성하여 꼬리 모양의 구조가 보이는 것이 특징이다. 현재까지 이 두 은하 종족에 관한 연구는 주로 가까운 우주에 있는 비교적 가벼운 은하단 위주로 이루어졌다. 본 학위논문에서는 적색이동 값이 0.3보다 더 큰 멀리 있는 무거운 은하단에서 크고 희미한 은하와 해파리은하의 특성을 연구한다. 우리는 허블 우주 망원경 영상과 제미니 망원경의 GMOS/IFU 분광 자료를 이용하여 MACS 서베이와 허블 프론티어 필드의 무거운 은하단을 탐사하였다.

첫 번째, 우리는 허블 프론티어 필드의 무거운 은하단 Abell 370에서 46개의 크고 희미한 은하를 찾아냈다. 그리고 이 샘플을 허블 프론티어 필드의 다른 두 무거운 은하단(Abell S1063과 Abell 2744)에서 찾은 크고 희미한 은하들과 합쳐서 함께 살펴보았다. 우리는 이 샘플을 바탕으로 1) 개수 밀도 분포, 2) 크고 희미한 은하의 개수와 모은하군/은하단의 질량 사이의 관계, 3) 은하의 역학적 질량 등을 분석하였다. 은하의 개수 밀도 분포를 은하단 중심으로부터 거리에 따라 그려보면, 크고 희미한 은하는 은하단 중심 영역에서 밝은 은하보다 개수 밀도가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 크고 희미한 은하가 은하단 중심부에서 환경 효과로 인해 대부분 파괴되었음을 의미한다. 크고 희미한 은하의 전체 개수와 모은하군/은하단의 역학적 질량은 지수가 1에 가깝게 정비례하는 상관관계가 있다. 이러한 관계는 크고 희미한 은하의 전체적인 생존 효율은 모은하군/은하단의 질량과 크게 관련이 없음을 시사한다. 크고 희미한 은하의 역학적 질량을 추정해보면 대부분은 왜소은하와 비슷하지만, 소수는 우리은하 정도로 무거운 은하도 존재한다. 이는 기존 연구들과 마찬가지로 크고 희미한 은하의 기원이 여러 갈래로 나뉠 수 있다는 의미이다. 결론적으로 무거운 은하단에 있는 크고 희미한 은하는 가까운 우주에 있는 은하들과 비슷한 성질을 지닌다.

두 번째, 우리는 무거운 은하단에 있는 해파리은하의 이온화된 가스의 특성을 제미니 망원경의 GMOS/IFU 분광 자료를 통해 분석하였다. 이 연구에서는 MACS 서베이와 허블 프론티어 필드 은하단에서 총 5개의 해파리은하(MACSJ0916-JFG1, MACSJ1752-JFG2, Abell 2744, MACSJ1258-JFG1, MACSJ1720-JFG1)를 분광 관측하였다. 이 은하들이 위치한 모은하단은 매우 무겁고 엑스선 광도도 밝아서 가까운 우주에 있는 가벼운 은하단보다 훨씬 더 강한 충차압 효과를 볼 수 있다. ${\rm H\alpha}$선을 방출하는 가스의 공간 분포는 광학 영상에서 보이는 젊은 별의 공간 분포와 거의 일치한다. 이온화된 가스의 시선 속도 분포를 살펴보면 가스가 원반면에서 은하 중심을 회전하고 있음을 확인할 수 있는데, 은하 중심에서 멀리 떨어진 꼬리 부분에서는 가스가 높은 시선 속도를 보이기도 한다. 이는 충차압에 의한 효과일 가능성이 높다. 가스의 속도 분산은 별 형성 지역에서 대부분 50 km/s 이하로 일반적인 나선은하와 비슷한 값을 보였다. ${\rm H\alpha}$선의 광도를 이용해 추정한 별 형성 비율은 가까운 우주에 있는 가벼운 은하단에서 발견된 해파리은하보다 훨씬 높은 값을 보여주었다. 이는 무거운 은하단의 강한 충차압으로 인해 해파리은하에서 폭발적으로 별이 만들어지고 있음을 의미한다. 결론적으로 무거운 은하단에 있는 해파리은하는 가스의 운동과 역학적 상태가 기존에 알려진 해파리은하들과 비슷하지만, 별 형성 비율은 매우 높다.

마지막으로, 우리는 해파리은하의 별 형성 활동을 모은하단의 특성과 관련 지어 더 자세히 분석하였다. 해파리은하의 별 형성 활동과 모은하단의 특성은 분명 관련이 있으리라 추측되지만 아직까지 명확한 관계가 밝혀지지는 않았다. 우리는 앞서 제미니 GMOS/IFU를 이용해 관측한 5개의 해파리은하를 이용해 기존에 알려진 해파리은하와 별 형성 활동이 어느 정도로 차이를 보이는지 확인하였다. 해파리은하의 별 형성 활동은 모은하단의 속도 분산이 클수록 활발한 경향을 보였다. 우리는 해파리은하의 별 생성 비율이 해당 적색이동에서 일반적으로 알려진 별 생성 비율과 비교해 얼마나 높은지 알아보기 위해 starburstiness를 정의하였다. 해파리 구조가 뚜렷하게 보이는 해파리은하들은 starburstiness가 모은하단의 속도 분산, 은하간물질(ICM)의 밀도, 충차압의 세기와 분명한 양의 상관관계를 보였다. 이 관계는 충차압에 의한 가스 쓸림 현상이 강할수록 해파리은하의 별 생성이 일시적으로 더 강하게 촉진된다는 사실을 의미한다.

Gas-rich galaxies in dense environments evolve to gas-deficient galaxies due to tidal or hydrodynamic interactions with other galaxies or surrounding matter. These environmental effects closely involve the gas removal process or star formation activity in cluster galaxies, sometimes generating extreme galaxy populations in rich galaxy clusters. This thesis focuses on studying two different types of extreme galaxies, ultra-diffuse galaxies (UDGs) and jellyfish galaxies, in massive galaxy clusters. UDGs are abnormally large low surface brightness galaxies, and jellyfish galaxies are characterized by asymmetric tails and star-forming knots. To date, both types of galaxies have rarely been studied in massive clusters at intermediate redshift. In this thesis, we investigate the environmental effects on observational properties of UDGs and jellyfish galaxies in the clusters from the MAssive Cluster Survey (MACS) and Hubble Frontier Fields (HFF). For our scientific goals, we conduct three research projects using \textit{HST} images and GMOS/IFU spectroscopic data.

First, we find 46 UDGs in a massive cluster, Abell 370 ($z=0.375$), from the HFF images and combine the UDG sample with those in two other massive HFF clusters (Abell S1063 and Abell 2744). We analyze the properties of UDGs in these massive clusters in terms of 1) radial number density profile, 2) the relation between the abundance of UDGs ($N({\rm UDG})$) and virial masses of the host systems ($M_{200}$), and 3) dynamical masses. The mean number density profile of UDGs shows a flattening as clustercentric distance decreases, while that of bright galaxies shows a continuous increase. This trend implies that UDGs are prone to disruption in the central region of the clusters. The $N({\rm UDG})-M_{200}$ relation is described by a power-law with an index of nearly one: $N({\rm UDG})\propto M_{200}^{1.00\pm0.05}$ for $M_{200}>10^{13}~M_{\odot}$. This relation indicates that the survival efficiency of UDGs is little dependent on their environments. We estimate approximate dynamical masses of UDGs and find that most UDGs have dwarf-like masses $(M_{200}<10^{11}$ $M_{\odot})$. This mass range implies that most UDGs have a dwarf-like origin, except for a small number of $L^{*}$-like galaxies. From these results, we conclude that the properties of UDGs in massive clusters are similar to those in the less massive environments in the local universe.

Second, we study the ionized gas properties of five jellyfish galaxies in massive clusters with Gemini GMOS/IFU observations: MACSJ0916-JFG1 ($z=0.330$), MACSJ1752-JFG2 ($z=0.353$), A2744-F0083 ($z=0.303$), MACSJ1258-JFG1 ($z=0.342$), and MACSJ1720-JFG1 ($z=0.383$). Their host clusters are massive ($M_{200}\gtrsim10^{15}~M_{\odot}$) and X-ray luminous (${\log L_{X}}\gtrsim44.5~{\rm erg~s^{-1}}$), implying that jellyfish galaxies in these clusters are subject to much stronger ram-pressure stripping (RPS) than those in low-mass clusters. The \Ha~flux distributions are spatially consistent with stellar emission in all jellyfish galaxies. The radial velocity distributions of ionized gas seem to follow disk rotation of galaxies, with the appearance of a few high-velocity components in the tails as a sign of RPS. Mean gas velocity dispersion is lower than $50~{\rm km~s^{-1}}$ in most star-forming regions except near AGNs or shock-heated regions, indicating that ionized gas in most star-forming regions is dynamically cold. Integrated star formation rates (SFRs) are much higher than those of other jellyfish galaxies in the local universe. These high SFR values imply that RPS triggers intense star formation activity in these extreme jellyfish galaxies. The five jellyfish galaxies in this study have similar gas kinematics and dynamical states to those in the local universe, but they show a much higher SFR than the local jellyfish galaxies.

Finally, we perform a detailed analysis of the star formation activity of jellyfish galaxies, focusing on the short-term effect of ram-pressure stripping (RPS). It has been thought that the star formation activity of jellyfish galaxies may depend on the host cluster properties, but previous studies have not yet found a clear correlation. We estimate the \Ha-derived star formation rates (SFRs) of five jellyfish galaxies in massive clusters ($\sigma_{v, {\rm cl}}\gtrsim1000~{\rm km~s^{-1}}$) at $z\sim0.3-0.4$ using Gemini GMOS/IFU observations to explore the relationship. Combining our results with those in the literature, we find that the star formation activity of jellyfish galaxies shows a positive correlation with their host cluster velocity dispersion as a proxy of cluster mass and dynamical states. We estimate their SFR excess relative to the star formation main sequence (starburstiness; $R_{\rm SB}={\rm SFR/SFR_{MS}}(z)$) and the density of the surrounding intracluster medium (ICM) using scaling relations with the cluster velocity dispersion. As a result, the starburstiness of jellyfish galaxies with strong RPS signatures exhibits positive correlations with cluster velocity dispersion, ICM density, and strength of ram pressure. This relationship shows how ram pressure temporarily affects the star formation activity of jellyfish galaxies depending on the host cluster properties and degree of RPS.