[論文レビュー] Ha Rotation Curves of z~1 Galaxies: Unraveling the Evolution of the Tully-Fisher Relation

M. Barden, M. D. Lehnert+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、z≈1のスパイラル銀河における最初の空間的分解能を持つH𝛼回転曲線が提示され、Tully-Fisher関係における顕著な進化が明らかになった。高赤方偏移銀河群は、局所銀河と比較して、静止系Bバンド等級でΔM ≈ -1.1 magのオフセットを示しており、これは中心表面輝度の増加と回転速度の低下によって引き起こされており、z≈0.9以降に顕著な質量および構造的進化が起きたことを示している。

ABSTRACT

We describe the first results of a programme to obtain rotation curves of z~1 disc galaxies in the near-infrared using the Ha emission line in order to study the Tully-Fisher relation. To put any observed evolution into perspective and to investigate any possible selection biases, we constructed a control sample of low redshift galaxies that had rotation velocities and images available for measuring their dynamical, photometric, and morphological properties. Compared to local objects with isophotal sizes similar to the high redshift targets, we find that our sample of galaxies with spatially resolved rotation curves, the most distant sample so far (~0.9), clearly reveals a brightening of ~1.1 mag in the rest-frame B-band. The observed offset can be explained by a combination of increasing surface brightness, decreasing rotation speeds, and slightly smaller disc scale lengths of the high redshift galaxies.

研究の動機と目的

• 空間的分解能を持つ回転曲線を取得することで、高赤方偏移（z≈1）におけるTully-Fisher関係の進化を測定すること。
• 観測されたTully-Fisher関係のオフセットが、本質的進化によるものか、選択効果によるものかを調査すること。
• 高赤方偏移ディスク銀河と局所コントロールサンプルを比較することで、質量、サイズ、運動学的性質における物理的変化を分離すること。
• 表面輝度、スケール長、および回転速度が、Tully-Fisher関係の観測オフセットを引き起こす役割を評価すること。
• 階層的合体およびダークマター構造形成に基づく銀河進化モデルのテストのための高赤方偏移ベンチマークを提供すること。

提案手法

• VLT/ISAAC装置を用いて、近赤外H𝛼長スリットスペクトルを取得し、z≈1ディスク銀河の空間的分解能を持つ回転曲線を測定した。
• 赤方偏移z>0.6、高い傾き（⟨i⟩≈60°）、指数関数的光度プロファイルを満たす銀河を選択し、ディスク構造を保証した。
• 同等の等光度サイズ、光度的および形態的性質を持つ低赤方偏移スパイラル銀河の局所コントロールサンプルを構築した。
• 表面輝度およびスケール長が等級オフセットに与える影響を定量化するために、関係式 M_d ∝ -5 log R_d - 2.5 log(1+z) + μ₀ - const を用いた。
• 高赤方偏移サンプルと局所サンプルの間で回転速度および動的質量を比較し、2.2スケール長までv_rot²に比例すると仮定した。
• 表面輝度およびディスクスケール長の平均差に基づいてTully-Fisherゼロポイントに補正を施し、運動学的進化を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≈0.9からz=0の間、Tully-Fisher関係はどのように進化し、観測されたオフセットを引き起こす要因は何か？
• RQ2 中心表面輝度およびディスクスケール長の変化が、Tully-Fisher関係の観測オフセットにどの程度寄与しているか？
• RQ3 z≈1のディスク銀河の回転速度は、同サイズの局所銀河と比べてどう異なるか？
• RQ4 観測された進化は、階層的銀河形成モデルおよび宇宙論的パラメータと整合的か？
• RQ5 空間的分解能およびサンプルサイズの制約を考慮しても、高赤方偏移におけるTully-Fisher関係の勾配を意味的に測定できるか？

主な発見

• 高赤方偏移サンプルは、局所コントロールサンプルに対して、静止系Bバンド等級でΔM ≈ -1.1 ± 0.5 magのオフセットを示しており、z≈0.9以降に顕著な明るみの増加が起きたことを示している。
• このオフセットは、主に中心表面輝度が1.7 mag arcsec⁻²上昇し、ディスクスケール長が30%減少したことに起因している。
• z≈1銀河の平均回転速度は、同サイズの局所銀河に比べて50 ± 15 km s⁻¹遅く、z≈0.9以降に質量が2.6 ± 0.4倍に増加したことを示唆している。
• 表面輝度およびスケール長の差異を補正した後、Tully-Fisher関係のゼロポイントオフセットは-0.3 ± 0.4 magとなり、残りのオフセットは回転速度の低下によって説明された。
• 以前の低赤方偏移（⟨z⟩≈0.4–0.5）での研究とは不一致であり、オフセットは赤方偏移が高くなるにつれて増大する傾向にあり、2–3 Gyrの間に顕著な進化が起きたことを示唆している。
• 結果は、宇宙論的シミュレーションが予測するBバンド明るさの増加（約1.15 mag）および特徴的質量の2.4倍の低下（z=1からz=0）と広く一致している。