[論文レビュー] No evidence for evolution in the typical rest-frame UV sizes or morphologies of L_* galaxies at 4<z<8

Emma Curtis-Lake, R. J. McLure+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、CANDELS、HUDF、および並列領域の深宇宙画像を用いて、4<z<8におけるL*銀河のrest-frame UVサイズと形態を分析する。サイズ分布を対数正規分布のピークでモデル化し、測定バイアスを補正することで、明るい銀河におけるサイズ（n = -0.31 ± 0.26）や形態に顕著な進化は認められず、高赤方偏移銀河は見かけ上、z~4の対応物と構造的に類似していることが示された。

ABSTRACT

We present the results of a study investigating the sizes and morphologies of redshift 4<z<8 galaxies in the CANDELS GOODS-S, HUDF and HUDF parallel fields. Based on non-parametric measurements and incorporating a careful treatment of measurement biases, we quantify the typical size of galaxies at each redshift as the peak of the log-normal size distribution, rather than the arithmetic mean size. Parameterizing the evolution of galaxy half-light radius as r_50\propto(1+z)^n, we find n=-0.31+/-0.26 at bright UV-luminosities (0.3L_*(z=3)<L<L_*) and n=-0.61+/-0.53 at faint luminosities (0.12L_*<L<0.3L_*). Furthermore, simulations based on artificially redshifting our z~4 galaxy sample show that we cannot reject the null hypothesis of no size evolution. This result is fundamentally caused by the systematic under-estimation of the largest galaxy sizes and the size-dependent completeness of high redshift samples. To explore the evolution of galaxy morphology we first compare asymmetry measurements to those from a large sample of simulated single S\'ersic profiles, in order to robustly categorise galaxies as either `smooth' or `disturbed'. Comparing the disturbed fraction amongst bright (MUV <= -20) galaxies at each redshift to that obtained by artificially redshifting our z~4 galaxy sample, while carefully matching the size and UV-luminosity distributions, we find no clear evidence for evolution in galaxy morphology over the redshift interval 4<z<8. Therefore, based on our results, a bright (MUV <= -20) galaxy at z~6 is no more likely to be measured as `disturbed' than a comparable galaxy at z~4.

研究の動機と目的

• 4<z<8におけるL*銀河がz~4の銀河と比較して、rest-frame UVサイズおよび形態に顕著な進化を示すかどうかを調査すること。
• 特に、大きなサイズの低減とサイズ依存的完全性の問題を含む、高赤方偏移銀河サイズ測定における系統的バイアスに対処すること。
• 赤方偏移が増加するにつれて、形態的不規則性（非対称性）が増加するかどうかを検討し、これにより合体率の上昇や構造的不安定性が示唆されるかを評価すること。
• z~4の銀河を同じ明るさとサイズ分布を持つように人工的に赤方偏移させたデータと比較することで、進化なしの帰無仮説を検証すること。
• 算術平均ではなく、対数正規分布のピークを用いることで、バイアス補正が施された、信頼性の高い銀河サイズ進化の測定を提供すること。

提案手法

• 歪度の高い分布においても典型的なサイズをよりよく表現できるため、サイズ分布のピークを用いて銀河サイズを定量化する。
• r_50 ∝ (1+z)^n のべき乗則フィットを用い、r_50を半光半径として、4<z<8の期間におけるサイズ進化を定量化する。
• 非パラメトリック測定（例：ギニ係数、M_{20}）を用い、単一Sérsicプロファイルのシミュレーションと比較することで、銀河を「滑らか」または「不規則」に分類する。
• z~4銀河サンプルを人工的に赤方偏移させることで、高赤方偏移観測を模擬する合成銀河サンプルを生成し、サイズおよびUV明るさ分布を一致させる。
• ノイズ、PSF劣化、源検出限界を含む、観測プロセスの全過程をシミュレートすることで、測定バイアスを補正する。
• 帰無仮説（進化なし）を検証するために、実際の高赤方偏移サンプルにおける不規則銀河の割合と、人工的に赤方偏移させたz~4サンプルのそれとを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4<z<8におけるL*銀河は、z~4の銀河と比較して、rest-frame UV半光半径に顕著な進化を示すか？
• RQ2 赤方偏移に依存した非対称性の増加はあり、これは高赤方偏移で合体率の上昇や構造的不安定性を示唆するか？
• RQ3 特に、大きなサイズの低減とサイズ依存的完全性の問題を含む、測定バイアスがサイズ進化の検出にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 高赤方偏移における観測されたサイズおよび形態分布は、宇宙論的時間の経過に伴いz~4銀河を単純に外挿することで説明可能か？
• RQ5 高赤方偏移調査において、算術平均よりも対数正規分布のピークが、典型的な銀河サイズのより信頼性の高い推定値であるか？

主な発見

• 明るいL*銀河（0.3L* < L < L*）のサイズ進化は、進化なしと一致しており、べき乗則フィットにおけるn = -0.31 ± 0.26である。
• やや明るさが低い銀河（0.12L* < L < 0.3L*）については、n = -0.61 ± 0.53であり、より制約が緩いが、依然として進化なしと一致している。
• z~4銀河を人工的に赤方偏移させたシミュレーションにより、観測データは進化なしの帰無仮説を棄却できないことが示された。
• 検出されない進化の主な要因は、高赤方偏移サンプルにおける最大サイズの系統的低減と、サイズ依存的完全性の問題に起因する。
• 明るい（MUV ≤ -20）銀河における「不規則」銀河の割合は、z~4からz~6にかけて顕著な変化を示さず、時間経過による形態的不規則性の増加は認められない。
• z~6における明るい銀河がz~4の同様の銀河よりも「不規則」と測定される可能性は高くないため、宇宙時間にわたる構造的安定性が支持される。