[論文レビュー] Did most present-day spirals form during the last 8 Gyrs? A formation history with violent episodes revealed by panchromatic observations

F. Hammer, H. Flores+4 more|CERN Bulletin|Oct 21, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 158

ひとこと要約

本論文は、現在の間隔質量らせん銀河の多くが、最後の80億年間に、主要合体、準主合体、およびガス降着によって駆動される激しい断続的星形成を通じて、星を形成し、主要な構造的変化を経験したと提案している。マルチウェーブ長観測により、これらの銀河の38%の星形成物質量がz=1以降に形成されたことが示され、その多くは明るい赤外銀河（LIRGs）で発生している。また、75±25%のらせん銀河が最近主要合体を経験しており、階層的銀河形成に従ってバルジやディスクが再構築されたことが示されている。

ABSTRACT

(abridged) Studies of distant galaxies have shown that ellipticals and large spirals were already in place 8 Gyr ago, leading to a very modest recent star formation in intermediate mass galaxies. This is challenged by a recent analysis (Heavens et al. 2004) of the fossil record of the stellar populations of ~10^5 nearby galaxies, which show that intermediate mass galaxies have formed or assembled the bulk of their stars 4 to 8 Gyr ago. Here we present direct observational evidence supporting the Heavens et al's findings from a long term, multi-wavelength study of 195 z>0.4 intermediate mass galaxies, mostly selected from the CFRS survey. We show that a recent and efficient star formation is revealed at IR wavelengths since ~15% of intermediate mass galaxies at z>0.4 are indeed luminous IR galaxies (LIRGs), a phenomenon far more common than in the local Universe. The star formation in LIRGs is sufficient in itself to produce 38% of the total stellar mass of intermediate mass galaxies and then to account for most of the reported stellar mass formation since z=1. The high occurrence of LIRGs is easily understood only if they correspond to episodic peaks of star formation, during which galaxies are reddened through short IREs (infrared episodes). We examine how galaxy IREs can be related to the emergence at high redshift, of the abundant population of galaxies with small size, blue core and many irregularities. We show that recent merging and gas infall naturally explain both morphological changes and episodic star formation history in a hierarchical galaxy formation frame. We propose a simple scenario in which 75+-25% of intermediate mass spirals have experienced recently their last major merger event, leading to a drastic reshaping of their bulges and disks during the last 8 Gyrs.

研究の動機と目的

• z=1以降に推定される星形成物質量の高さと、観測された紫外線星形成率の低さの間にある矛盾を解消すること。
• 間隔質量銀河における星形成物質量の欠落を説明するために、赤外線観測によるダストに包まれた星形成の役割を調査すること。
• 合体やガス降着と関連する激しい断続的星形成が、らせん銀河の形態的進化と質量集積を説明できるかを検証すること。
• 赤外線および可視光データを用いて、主要合体、準主合体、ガス降着が最近の星形成に果たす寄与を定量化すること。
• 宇宙時間にわたる大規模ならせん銀河および楕円銀河の数密度の安定性と対比して、LIRGおよびコンact銀河の数密度がなぜz≈1から現在にかけて減少するのかを説明すること。

提案手法

• カナダ＝フランス赤方偏移調査（CFRS）から選ばれた195個のz > 0.4の間隔質量銀河を対象に、長期間にわたるマルチウェーブ長調査を実施。紫外線、可視光、赤外線データを統合した。
• 明るい赤外銀河（LIRGs）を特定するために、赤外線発光量（LIR > 10^11 L☉）を用いた。LIRGsは、高密度のダストに包まれた星形成の強力な指標である。
• 星形成率と寿命を統合することで、LIRGsが全星形成物質量に占める寄与を計算し、z=1以降に全星形成物質量の38%が形成されたと推定した。
• 赤外線エピソード（IREs）を、短時間にわたるダスト赤方偏移を伴う星形成爆発段階としてモデル化し、z=1からz=0.4の間で、τIRE / 0.1 Gyrの逆数に比例して4–5 × (τIRE / 0.1 Gyr)^−1回のIREsが各銀河で発生すると推定した。
• z≈0.7の発光線銀河の光度-金属量関係を分析したところ、それらは平均して局所のらせん銀河よりも金属量が約2倍低いことが判明した。
• 8つの観測された進化傾向（紫外線および赤外線発光量密度の低下、合体率、LIRGおよびコンパクト銀河の数密度など）と整合性があるかどうかを検証することで、銀河形成のシナリオを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=1以降に間隔質量銀河で観測されない星形成物質量の多くを、ダストに包まれた星形成爆発（LIRGs）が占める割合はどの程度か？
• RQ2 過去80億年間に、間隔質量らせん銀河がどの程度の頻度で、合体によって引き起こされる激しい星形成爆発段階（IREs）を経験するか？
• RQ3 例えばバルジの成長やディスク形成を含む、らせん銀河の観測された形態的進化は、階層的形成フレームワーク内での最近の主要合体およびガス降着によって説明可能か？
• RQ4 最近の宇宙の星形成歴史のピークに、主要合体、準主合体、ガス降着がそれぞれどの程度の寄与をしているか？
• RQ5 LIRGおよびコンパクトで不規則な銀河の数密度がz≈1から現在にかけて減少する一方で、大規模ならせん銀河および楕円銀河の数密度が安定しているのはなぜか？

主な発見

• z > 0.4の明るい赤外銀河（LIRGs）は、間隔質量銀河の全星形成物質量の38%を占めており、最近の星形成がダストに隠されていることを示している。
• z > 0.4におけるLIRGsの高い出現頻度は、銀河が断続的かつ激しい星形成を経験したことを示しており、各銀河がz=1からz=0.4の間で4～5 × (τIRE / 0.1 Gyr)^−1回の赤外線エピソード（IREs）を経験していると推定される。
• z≈0.7の発光線銀河の平均金属量は、局所のらせん銀河よりも約2倍低いことが判明し、最近の金属量が低い星形成爆発段階の存在を支持している。
• 75±25%の間隔質量らせん銀河が最近主要合体を経験しており、これによりバルジやディスクが再構築されたことが説明され、遠方銀河と局所銀河を一貫した形成シナリオで結びつけることができる。
• このシナリオは、z=1から現在にかけて紫外線および赤外線発光量密度、合体率、LIRGおよびコンパクト銀河の数密度が同時に低下する現象を説明でき、一方で大規模ならせん銀河および楕円銀河の数密度の安定性も説明できる。
• モデルは、最近の赤外線星形成密度のうち42%、22%、36%がそれぞれ主要合体、準主合体、ガス降着に起因すると予測しており、観測的制約と整合的である。