[論文レビュー] GEMS: The Size Evolution of Disk Galaxies

M. Barden, Hans-Walter Rix+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2005

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 142

ひとこと要約

本研究では、GEMS調査のハッブル宇宙望遠鏡画像および光度赤方偏移を用いて、z ≈ 1以降のディスク銀河のサイズ進化を分析した。明るさ–サイズ関係には強い進化が認められ（静止系Vバンドで約1 mag arcsec⁻²の明るさの増加）、一方、log(M/M☉) ≳ 10の銀河では星間質量–サイズ関係に顕著な進化は認められず、単純モデルが予測するハローのバリアル半径に比例したサイズスケーリングとは対照的に、内側から外側へのディスク成長が示唆される。

ABSTRACT

We combine HST imaging from the GEMS survey with photometric redshifts from COMBO-17 to explore the evolution of disk-dominated galaxies since z<1.1. The sample is comprised of all GEMS galaxies with Sersic indices n<2.5, derived from fits to the galaxy images. We account fully for selection effects through careful analysis of image simulations; we are limited by the depth of the redshift and HST data to the study of galaxies with absolute magnitudes M(V)10. We find strong evolution in the magnitude-size scaling relation for galaxies with M(V)10 over the same time interval. This is strongly inconsistent with the most naive theoretical expectation, in which disk size scales in proportion to the halo virial radius, which would predict that disks are a factor of two denser at fixed mass at z=1. The lack of evolution in the stellar mass-size relation is consistent with an ``inside-out'' growth of galaxy disks on average (galaxies increasing in size as they grow more massive), although we cannot rule out more complex evolutionary scenarios.

研究の動機と目的

• 過去8ギガ年（z ≈ 1からz ≈ 0）の間におけるディスク銀河のスケーリング関係、特に明るさ–サイズ関係および星間質量–サイズ関係の進化を調査すること。
• GEMS調査から得られたSérsic指数n < 2.5の、大規模で明確に定義されたディスク優勢銀河のサンプルを用いることで、先行研究の矛盾する結果を解消すること。
• 画像シミュレーションと赤方偏移に依存する表面輝度補正を用いて、選択効果および完全性の限界を詳細に考慮すること。
• 冷たいダークマター（CDM）モデルの予測である、ディスクサイズがハローのバリアル半径に比例するという仮説を検証すること。これはz ≈ 1で質量が一定の状態でサイズが2倍小さくなることを意味する。

提案手法

• サンプルは、画像フィッティングによるディスク形態の同定により選別された、GEMS調査に由来する約5,700個のディスク優勢銀河（Sérsic指数n < 2.5）から成る。
• 赤方偏移と静止系マグニチュードは、COMBO-17調査の光度赤方偏移を用い、カラーテルムおよびK補正の正確なキャリブレーションが施されている。
• 検出完全性および選択効果のモデル化のため、画像シミュレーションが用いられ、特に表面輝度およびマグニチュード限界における影響が補正されている。
• 宇宙論的減光を考慮した静止系Vバンド表面輝度および星間質量対光度比は、関係式 μ_V^50% = m_z^app,50% + [m_V^rest - m_z] - 10 log(1+z) を用いて導出された。
• マグニチュードと赤方偏移に依存する完全性補正を施した上で、赤方偏移ビンごとに平均表面輝度 〈μ_V(z)〉および平均星間質量表面密度 〈log Σ_M(z)〉を計算した。
• マグニチュードおよび質量限界を変化させることで結果の妥当性を評価し、マグニチュード–サイズ平面の勾配に起因する絶対的シフトが生じても相対的傾向は安定していることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 1から現在にかけて、ディスク銀河の明るさ–サイズ関係はどのように進化したか？
• RQ2 過去8ギガ年間にわたり、log(M/M☉) ≳ 10のディスク銀河について、星間質量–サイズ関係に測定可能な進化は認められるか？
• RQ3 高赤方偏移ディスク銀河の表面輝度およびサイズ進化推定値に、選択効果および完全性限界がどの程度バイアスを及えるか？
• RQ4 観測された進化は、CDMモデルが予測するように、ディスクサイズがハローのバリアル半径に比例するという仮説と矛盾するか？
• RQ5 質量–サイズ関係の進化が認められないということは、ディスク成長を駆動する物理的メカニズムについて何を示唆するか？

主な発見

• 明るさ–サイズ関係には強い進化が認められ、静止系Vバンド表面輝度がz ≈ 1からz ≈ 0にかけて約1 mag arcsec⁻²増加しており、これは高赤方偏移でディスクがはるかにコンパクトであったことを示している。
• 表面輝度の進化が認められても、log(M/M☉) ≳ 10の銀河では星間質量–サイズ関係に顕著な進化は認められず、ディスクは質量が増加するに従いサイズが拡大していることを示している。
• z ≈ 1のディスクは、現在の対応する銀河よりも青く、星間質量対光度比が低く、継続的な星形成および物理的性質の進化を示している。
• 質量–サイズ関係に進化がないことは、ハローのバリアル半径が小さくなるためz ≈ 1でより密度が高いと予測される単純なCDM予測と矛盾する。
• 結果は、内側から外側への成長モデルと整合的であり、ディスクは時間とともにサイズが拡大し、同時に質量が増加していることを示唆するが、より複雑な進化シナリオも排除できない。
• マグニチュードおよび質量限界の変更に対しても結果が安定しており、マグニチュードの動的範囲が保たれていれば、選択効果は画像シミュレーションに基づく完全性補正により適切に制御されていることが確認された。