[論文レビュー] KAOSS: turbulent, but disc-like kinematics in dust-obscured star-forming galaxies at $z\sim$1.3-2.6

Jack E. Birkin, Annagrazia Puglisi+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、VLT/KMOSの積分場分光法を用いて、z ~ 1.3–2.6の31個のダスト遮蔽星形成銀河（DSFGs）の空間的に分解されたHα運動学を提示する。その結果、25個（81%）が平均v_rot = 190 ± 30 km s⁻¹およびσ₀ = 87 ± 6 km s⁻¹を示す、乱流的で回転支持の高いディスクと最もよく一致する。高い乱流性にもかかわらず、v_rot/σ₀比が2.4 ± 0.5であるため、回転支持が支配的であり、星形成速度のTully-Fisher関係（sTFR）はz ~ 2からz ~ 0にかけて変化がないことが示された。

ABSTRACT

We present spatially resolved kinematics of 27 ALMA-identified dust-obscured star-forming galaxies (DSFGs) at $z\sim$1.3-2.6, as traced by H$α$ emission using VLT/KMOS near-infrared integral field spectroscopy from the "KMOS-ALMA Observations of Submillimetre Sources" (KAOSS) Large Programme. We derive H$α$ rotation curves and velocity dispersion profiles for the DSFGs, and find that among the 27 sources with bright, spatially extended H$α$ emission, 24 display evidence for disc-like kinematics. We measure a median inclination-corrected velocity at 2.2$R_{ m d}$ of $v_{ m rot}=$190$\pm$40kms$^{-1}$ and intrinsic velocity dispersion of $σ_0=$87$\pm$6kms$^{-1}$ for these disc-like sources. The kinematics yield median circular velocities of $v_{ m circ}=$230$\pm$20kms$^{-1}$ and dynamical masses within 2$R_{ m e}$ ($\sim$7kpc radius) of $M_{ m dyn}=$(1.1$\pm$0.2)$ imes$10$^{11}$M$_\odot$. Compared to less actively star-forming galaxies, KAOSS DSFGs are both faster rotating with higher intrinsic velocity dispersions, but have similar $v_{ m rot}/σ_0$ ratios, median $v/σ_0=$2.5$\pm$0.5. We suggest that the kinematics of the DSFGs are primarily rotation supported but with a non-negligible contribution from pressure support, which may be driven by star formation or mergers/interactions. We estimate the normalisation of the stellar mass Tully-Fisher relation (sTFR) for the disc-like DSFGs and compare it with local studies, finding no evolution at fixed slope between $z\sim$2 and $z\sim$0. Finally, we show that the kinematic properties of the DSFG population are consistent with them evolving into massive early-type galaxies, the dominant $z\sim$0 population at these masses.

研究の動機と目的

• z ~ 1.3–2.6のダスト遮蔽星形成銀河（DSFGs）の空間的に分解されたHα線運動学を解明すること。
• DSFGsが回転支持ディスクか、合体駆動の乱流的システムかを特定すること。
• 星形成速度のTully-Fisher関係（sTFR）の正規化定数を測定し、z ~ 2からz ~ 0にかけての進化を評価すること。
• 高赤方偏移DSFGsにおけるホールマスの推定と、星形成物質対ホールマス関係の調査。
• フィードバックおよび衝撃加熱が、質量の大きなホールマスにおける星形成物質の成長をどのように制御しているかを評価すること。

提案手法

• 31個のALMAで特定されたDSFGsに対して、VLT/KMOSを用いた近赤外積分場分光法を用いて、空間的に分解されたHα線運動学を取得した。
• 傾き補正済みの回転速度v_rotを2.2 R_dで得るために、Freemanディスクモデルを回転曲線にフィットした。
• Johnsonら（2018）のビームスミアリング補正を適用し、観測された速度分散から内在的分散σ₀を導出した。
• 測定されたv_rotと星形成物質量M_*を用いて、固定勾配でのゼロ点をフィットすることで、星形成速度Tully-Fisher関係（sTFR）を構築した。
• 2 R_e内での動的質量M_dynを推定し、星形成物質量とガス質量の推定値を用いて、バリオン質量対動的質量比を導出した。
• DSFGsの位置を星形成物質対ホールマス関係にマッピングすることで、フィードバックおよび加熱機構を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ~ 1.3–2.6のダスト遮蔽星形成銀河は、回転支持ディスクか合体駆動の乱流的システムと運動学的に整合するか？
• RQ2 同赤方偏移域におけるより活発でない星形成銀河と比較して、DSFGsの回転速度v_rotおよび内在的速度分散σ₀はどのように異なるか？
• RQ3 星形成速度Tully-Fisher関係（sTFR）の正規化定数はz ~ 2からz ~ 0にかけて進化するか？その進化は銀河の質量増加に何を示唆するか？
• RQ4 高赤方偏移DSFGsの質量の大きなホールマスにおける星形成物質の構造を形作るフィードバックおよび衝撃加熱の役割は何か？
• RQ5 これらの高赤方偏移系において、バリオン質量は星形成物質成分を越えてどの程度分布しているか？

主な発見

• 31個中25個（81%）のDSFGsがFreemanディスクモデルにうまくフィットし、ディスクに類似した運動学的性質を示した。
• 2.2 R_dにおける傾き補正済み回転速度の中央値はv_rot = 190 ± 30 km s⁻¹、内在的速度分散の中央値はσ₀ = 87 ± 6 km s⁻¹であった。
• v_rot/σ₀比の中央値は2.4 ± 0.5であり、DSFGsは高い乱流性を示すが、約50%のケースで回転支持が支配的であることが示された。
• ディスクに類似したDSFGsの星形成速度Tully-Fisher関係（sTFR）は、z ~ 2からz ~ 0にかけて正規化定数に変化がなく、v_rot = 100 km s⁻¹における最良適合ゼロ点はlog₁₀(M_*/M☉) = 9.97 ± 0.09であった。
• 2 R_e内での中央値動的質量はM_dyn = (1.6 ± 0.3) × 10¹¹ M☉であり、星形成物質対動的質量比の中央値はM_*/M_dyn = 0.94 ± 0.15であった。
• 4 R_e内での中央値バリオン質量対動的質量比はM_bar/M_dyn = 0.36 ± 0.04であり、大部分のバリオン質量が星形成物質成分の外側に存在していることが示された。