[論文レビュー] Dense cores in galaxies out to z=2.5 in SDSS, UltraVISTA, and the five 3D-HST/CANDELS fields: number density, evolution, and the apparent need for efficient cooling at high redshift

Pieter van Dokkum, Rachel Bezanson+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、複数の波長域の調査を用いて、z=2.5までの質量的銀河に密集した星形成コアを同定した。それらは主にz>2.5で形成され、z~2における宇宙の星形成物質量の10–20%を占めており、質量損失と合体によって数密度が低下している。コアの初期形成には、1 kpc圏内で約10^11 Msunのガスが星に変換され、周囲の大きな半径では星形成が抑制されるような、効率的で局所的な冷却が必要であった。

ABSTRACT

The dense interiors of massive galaxies are among the most intriguing environments in the Universe. In this paper we ask when these dense cores were formed and determine how galaxies gradually assembled around them. We select galaxies that have a stellar mass >3x10^10 Msun inside r=1 kpc out to z=2.5, using the 3D-HST survey and data at low redshift. Remarkably, the number density of galaxies with dense cores appears to have decreased from z=2.5 to the present. This decrease is probably mostly due to stellar mass loss and the resulting adiabatic expansion, with some contribution from merging. We infer that dense cores were mostly formed at z>2.5, consistent with their largely quiescent stellar populations. While the cores appear to form early, the galaxies in which they reside show strong evolution: their total masses increase by a factor of 2-3 from z=2.5 to z=0 and their effective radii increase by a factor of 5-6. As a result, the contribution of dense cores to the total mass of the galaxies in which they reside decreases from ~50% at z=2.5 to ~15% at z=0. Because of their early formation, the contribution of dense cores to the total stellar mass budget of the Universe is a strong function of redshift. The stars in cores with M_1kpc>3x10^10 Msun make up ~0.1% of the stellar mass density of the Universe today but 10%-20% at z~2, depending on their IMF. The formation of these cores required the conversion of ~10^11 Msun of gas into stars within ~1 kpc, while preventing significant star formation at larger radii.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたる数密度の進化を分析することで、質量的銀河内の密集星形成コアがいつ形成されたかを特定すること。
• z=2.5から現在にかけて、コアの数密度の低下に寄与する星形成物質量損失と合体の役割を調査すること。
• 特に高赤方偏移において、密集コアが銀河全体の星形成物質量予算および宇宙全体に与える寄与を定量化すること。
• コア形成に必要な物理的条件、特に1 kpc圏内に星形成を封じ込めるための効率的冷却を特定すること。

提案手法

• SDSS、UltraVISTA、3D-HST/CANDELS領域の多波長データから、r=1 kpc圏内で星形成物質量>3×10^10 Msunの銀河を選別した。
• 光度赤方偏移およびスペクトロスコピック赤方偏移を用いて、サンプルをz=2.5まで拡張し、宇宙時間のベースラインを確保した。
• 異なる赤方偏移での観測数を比較することで、コアの数密度の進化を推定した。
• 質量損失と断熱的拡張のモデル化により、時間経過に伴うコア数密度の低下を説明した。
• コア質量分率と全銀河質量の比較を通じて、構造的進化を評価した。
• 1 kpc圏内での星形成の封じ込めを観測したことに基づき、必要とされるガス冷却効率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量的銀河内の密集星形成コアの数密度は、赤方偏移にどのように変化するか？
• RQ2 z=2.5から現在にかけて、密集コアの数密度がなぜ低下したのか？
• RQ3 星形成物質量損失と合体は、コア数密度の低下にどの程度寄与しているか？
• RQ4 z~2における宇宙の星形成物質量のうち、M_1kpc > 3×10^10 Msunの密集コアで形成された割合はどれくらいか？また、現在と比べてどうか？
• RQ5 特にガス冷却効率を含む、星形成を1 kpc圏内に封じ込めるために必要な物理的メカニズムは何か？

主な発見

• M_1kpc > 3×10^10 Msunの密集コアを有する銀河の数密度は、z=2.5からz=0にかけて顕著に低下しており、主に星形成物質量損失と断熱的拡張によるものである。
• 密集コアは主にz>2.5で形成されており、静的星形成物質の性質と初期形成期と整合的である。
• コアが占める全銀河質量の割合は、z=2.5で約50%からz=0で約15%に低下しており、外縁部での継続的質量増加が要因である。
• z~2において、M_1kpc > 3×10^10 Msunの密集コアに形成された星は、宇宙の全星形成物質量密度の10–20%を占めており、初期質量関数に依存する。
• コア形成には、1 kpc圏内で約10^11 Msunのガスが星に変換され、周囲の大きな半径では星形成が最小限に抑えられる必要があり、効率的な局所的冷却機構が示唆される。
• 観測された進化は、コアの初期形成とその後の母銀河の構造的成長が、星形成を中心部に封じ込めるメカニズムを必要としていることを示唆している。