[論文レビュー] Morphologies of ~190,000 Galaxies at z=0-10 Revealed with HST Legacy Data I. Size Evolution

Takatoshi Shibuya, Masami Ouchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ハッブル宇宙望遠鏡のレガシーデータを用いて、z=0からz=10にかけて約19万個の銀河の有効半径（r_e）の進化を分析した。一貫した形態的測定と、K補正、選択バイアス、表面輝度の減光補正を適用した。r_e ∝ (1+z)^{-1.10±0.06} が得られ、サイズ-光度勾配やSérsic指数（n≈1.5）に顕著な進化は認められず、z=0からz=8までにr_e/r_vir ≈ 1.0–3.5%のほぼ一定の値を示した。これは、高赤方偏移の星形成銀河にディスク様の星形成成分が存在し、j_d/m_d ≈ 0.5–1であることを示唆している。

ABSTRACT

We present redshift evolution of galaxy effective radius r_e obtained from the HST samples of ~190,000 galaxies at z=0-10. Our HST samples consist of 176,152 photo-z galaxies at z=0-6 from the 3D-HST+CANDELS catalogue and 10,454 LBGs at z=4-10 identified in CANDELS, HUDF09/12, and HFF parallel fields, providing the largest data set to date for galaxy size evolution studies. We derive r_e with the same technique over the wide-redshift range of z=0-10, evaluating the optical-to-UV morphological K-correction and the selection bias of photo-z galaxies+LBGs as well as the cosmological surface brightness dimming effect. We find that r_e values at a given luminosity significantly decrease towards high-z, regardless of statistics choices. For star-forming galaxies, there is no evolution of the power-law slope of the size-luminosity relation and the median Sersic index (n~1.5). Moreover, the r_e-distribution is well represented by log-normal functions whose standard deviation σ_{\ln{r_e}} does not show significant evolution within the range of σ_{\ln{r_e}}~0.45-0.75. We calculate the stellar-to-halo size ratio from our r_e measurements and the dark-matter halo masses estimated from the abundance matching study, and obtain a nearly constant value of r_e/r_vir=1.0-3.5% at z=0-8. The combination of the r_e-distribution shape+standard deviation, the constant r_e/r_vir, and n~1.5 suggests a picture that typical high-z star-forming galaxies have disk-like stellar components in a sense of dynamics and morphology over cosmic time of z~0-6. If high-z star-forming galaxies are truly dominated by disks, the r_e/r_vir value and the disk formation model indicate that the specific angular momentum of the disk normalized by the host halo is j_d/m_d=0.5-1. These are statistical results for galaxies' major stellar components, and the detailed study of clumpy sub-components is presented in the paper II.

研究の動機と目的

• z=0～10の範囲で、統計的に高いパワーを持つ銀河の赤方偏移による有効半径（r_e）の進化を測定すること。
• 写真赤方偏移（photo-z）による選択、K補正、宇宙論的表面輝度の減光といった観測バイアスを一貫して補正すること。
• サイズ-光度関係および構造的パラメータ（例：Sérsic指数）が赤方偏移とともに進化するかどうかを特定すること。
• 星形成部のハロー半径に対する星形成部のサイズ比（r_e/r_vir）を推定し、銀河形成における角運動量移動を推論すること。
• 高赤方偏移の星形成銀河がディスク様の形状を示すという仮説を、サイズと構造的統計に基づいて検証すること。

提案手法

• z=4～10の範囲で、3D-HST+CANDELSの176,152個の写真赤方偏移銀河と、CANDELS、HUDF09/12、HFF領域の10,454個のライマンブレイク銀河（LBGs）を統合。
• z=0～10の全範囲にわたり、同一の手法（例：Sersicプロファイル）を用いて一貫した形態的フィッティングを実施し、r_eを導出。
• 写真赤方偏移銀河およびLBGサンプルにおける光学的からUV的形状へのK補正および選択バイアスを補正。
• サイズ測定における宇宙論的表面輝度の減光を考慮。
• 星形成部の質量から暗黒物質ハローのvirial半径（r_vir）を推定するためにアバンドランスマッチングを用いる。
• r_e分布を対数正規分布としてモデル化し、ハローのスピンパラメータ（λ）の分布と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河の有効半径（r_e）は、z=0からz=10にかけてどのように赤方偏移とともに進化するか？
• RQ2 サイズ-光度関係および星形成銀河のSérsic指数（n）は、赤方偏移とともに進化するか？
• RQ3 銀河サイズの分布は対数正規関数でよく記述できるか？ その幅（σ_ln(re)）は進化するか？
• RQ4 星形成部とハローのサイズ比（r_e/r_vir）は何か？ そして、宇宙の歴史を通じて一定であるか？
• RQ5 高赤方偏移銀河の構造的・力学的性質は、それらの形成メカニズムについて何を示唆するか？

主な発見

• 有効半径r_eは、中央値統計においてr_e ∝ (1+z)^{-1.10±0.06} と進化し、高赤方偏移に向かって強いサイズの進化が示された。
• サイズ-光度関係のべき乗則勾配は、z ≈ 0からz ≈ 8にかけて一定のα = -0.27 ± 0.01を示し、顕著な進化は認められなかった。
• 星形成銀河のSérsic指数はn ≈ 1.5でほぼ一定であり、ディスク様の形状を示している。
• r_e分布は対数正規関数でよく記述され、σ_ln(re) ≈ 0.45–0.75であり、z=0からz=6にかけて顕著な進化は認められなかった。
• 星形成部とハローのサイズ比r_e/r_virは、z=0からz=8にかけて1.0–3.5%のほぼ一定の値を示し、安定した構造的関係を支持した。
• r_e/r_virの一定性、対数正規分布のr_e分布、およびn ≈ 1.5の低さは、高赤方偏移の星形成銀河がディスク様の星形成部を持つことを示唆し、j_d/m_d ≈ 0.5–1であると解釈され、ハローからの大きな角運動量移動が起こっていることを示している。