[論文レビュー] Evolution of the specific Star Formation Rate Function at z<1.4 - Dissecting the mass-SFR plane in COSMOS and GOODS

O. Ilbert, S. Arnouts+22 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、COSMOSおよびGOODS調査のミッドおよびファーレーザインフラレッドデータを用いて、0.2 < z < 1.4 の範囲で星形成銀河における特定星形成率（sSFR）関数の進化を測定した。質量依存的なsSFRの進化が明らかとなり、低質量から高質量へ移行するに従い、(1+z)^b の形で増加し、b の値が2.88から3.78に上昇する。また、sSFR関数の散らばりが星形成質量とともに増加しており、質量の大きな銀河における星形成歴の多様性が増していることを示唆している。

ABSTRACT

The relation between the stellar mass and the star formation rate characterizes how the instantaneous star formation is determined by the galaxy past star formation history and by the growth of the dark matter structures. We deconstruct the M-SFR plane by measuring the specific SFR functions in several stellar mass bins from z=0.2 out to z=1.4. Our analysis is primary based on a MIPS 24$μm$ selected catalogue combining the COSMOS and GOODS surveys. We estimate the SFR by combining mid- and far-infrared data for 20500 galaxies. The sSFR functions are derived in four stellar mass bins within the range 9.5

研究の動機と目的

• 星形成銀河における宇宙時間にわたる特定星形成率（sSFR）関数の進化を測定すること（z < 1.4）。
• sSFR関数が星形成質量および赤方偏移にどのように依存するかを調査し、特に質量-SFR平面の文脈で検討すること。
• 選択効果の役割を解釈する際の質量-SFR関係への影響を評価し、半アナリティカルモデル（SAMs）の予測を検証すること。
• sSFR関数の形状が時間的に不変のままであるか、およびその散らばりが質量とともにどのように進化するかを特定すること。
• 観測されたsSFRの低下とsSFR関数における散らばりの増大を説明する物理的メカニズムを探索すること。

提案手法

• COSMOSおよびGOODS調査のデータを統合し、星形成銀河を深く偏りなくカバーする24 µm選択銀河カタログを構築する。
• ミッドおよびファーレーザインフラレッド光度計測を統合して星形成率（SFR）を推定し、チルト遮へいバイアスを低減し、信頼性の高いSFR測定を可能にする。
• 赤方偏移 z = 0.2 から z = 1.4 の範囲で、星形成質量 9.5 < log(M⋆/M☉) < 11.5 の4つの質量チャンクに分け、sSFR関数（sSFR = SFR / M⋆）を導出する。
• 特に低sSFR値における正確なsSFR関数推定を実現するため、選択効果および完全性補正を適用する。
• sSFR関数を対数正規分布としてモデル化し、その固有の散らばり（σ）を定量的に評価し、赤方偏移および質量に伴う進化を分析する。
• 観測されたsSFR関数をWangら（2008）の半アナリティカルモデルと比較し、宇宙論的降着率とも照合して物理的整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央値sSFRは赤方偏移とともにどのように進化するか。また、この進化は星形成質量に依存するか？
• RQ2 z < 1.4 の範囲でsSFR関数の形状は時間的に不変であるか。それとも宇宙時間および質量に応じて進化するか？
• RQ3 高質量星形成銀河において、観測されたsSFR関数が半アナリティカルモデルの予測から逸脱する理由は何か？
• RQ4 sSFR関数の散らばりが質量とともに増大するのを説明する物理的プロセスは何か？
• RQ5 固定された赤方偏移においてsSFRは星形成質量にどのように依存するか。また、これは質量の大きな銀河の星形成歴にどのような含意を持つか？

主な発見

• 中央値sSFRは (1+z)^b の形で進化し、M⋆ ≈ 10^9.75 M☉ では b = 2.88 ± 0.12、M⋆ ≈ 10^11.1 M☉ では b = 3.78 ± 0.60 に達する。これは、質量の大きな銀河でより強い進化を示している。
• sSFR関数の固有の散らばり（σ）は、低質量（log(M⋆/M☉) ≈ 9.5–10）では0.28 dex から、高質量（log(M⋆/M☉) ≈ 11–11.5）では0.46 dex に増加する。これは、質量が増加するに従い星形成歴の多様性が増していることを示している。
• z < 1.4 の範囲でsSFR関数の形状は赤方偏移に依存せず不変であるが、散らばりは星形成質量とともに増加する。これは、質量依存的な物理的プロセスがSFHの多様性を駆動していることを示唆している。
• sSFRは log₁₀(sSFR) ∝ -0.17 M⋆ のように質量とともに低下する。この傾向は線形関係とは一致せず、τ ∝ 1/M⋆ に従う指数的減少する星形成歴によってよりよく説明できる。
• 観測されたsSFRの進化は、M⋆ < 10^10 M☉ の範囲でのみ宇宙論的降着率および半アナリティカルモデルの予測と一致する。質量の大きな銀河では一致が崩れるため、現在のモデルには限界があることが示唆される。
• ホットハローのガス枯渇、質量の大きなバルジ優勢系における星形成効率の低下、および定常的進化といった物理的メカニズムが、観測されたsSFRの低下と高質量領域における散らばりの増大を説明できる可能性がある。