[論文レビュー] Systematic effects on the size-luminosity relation: dependence on model fitting and morphology

Mariangela Bernardi, A. Meert+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2012

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ひとこと要約

本研究は、モデルフィッティングの選択と形態的特徴に基づく、初期期および後期型銀河のサイズ-等価放射度（R-L）関係における系統的バイアスを調査する。SDSSのrバンド画像に対してSersicおよびSerExp（Sersic＋指数的）プロファイルをフィットさせた結果、単一Sersicフィットは特にSersic指数nが大きく、B/T ≈ 0.6である場合に半光半径を過大評価することが判明。一方、SerExpモデルはR-L関係に曲がりを示し、2つの主要な質量スケール、すなわち約3×10¹⁰ M⊙と約2×10¹¹ M⊙が関与していることを示している。バルジ優勢系ではほぼ線形のR-Lスケーリング（R ∝ L⁰.⁸⁵）を示すが、ディスクでは強い曲がりを示す。

ABSTRACT

We quantify the systematics in the size-luminosity relation of galaxies in the SDSS main sample which arise from fitting different 1- and 2-component model profiles to the images. In objects brighter than L*, fitting a single Sersic profile to what is really a two-component SerExp system leads to biases: the half-light radius is increasingly overestimated as n of the fitted single component increases; it is also overestimated at B/T ~ 0.6. However, the net effect on the R-L relation is small, except for the most luminous tail, where it curves upwards towards larger sizes. We also study how this relation depends on morphological type. Our analysis is one of the first to use Bayesian-classifier derived weights, rather than hard cuts, to define morphology. Crudely, there appear to be only two relations: one for early-types (Es, S0s and Sa's) and another for late-types (Sbs and Scds). However, closer inspection shows that within the early-type sample S0s tend to be 15% smaller than Es of the same luminosity, and, among faint late types, Sbs are more than 25% smaller than Scds. Neither the early- nor the late-type relations are pure power-laws: both show significant curvature, which we quantify. However, the R-L relations of the bulges of early-types are almost pure power laws. Our analysis confirms that two mass scales are special for early-type galaxies: M* = 3e10 and 2e11 Msun. These same mass scales are also special for late types: there is almost no correlation between R and M* below the former, and almost no late-types above the latter. We also show that the intrinsic scatter around the relation decreases at large luminosity and/or stellar mass; this should provide additional constraints on models of how the most massive galaxies formed.

研究の動機と目的

• 単一成分（Sersic）と二成分（SerExp）の光度プロファイルを用いたフィッティングの違いが引き起こす、銀河のサイズ-等価放射度（R-L）関係における系統的バイアスを定量化すること。
• ハードカットではなくベイズ分類器で導出された重みを用いた形態的分類法がR-L関係に与える影響を評価すること。
• R-L関係が純粋なべき乗則であるか、それとも曲がりを示し、その背後にある物理的質量スケールが存在するかを特定すること。
• 固有の散乱が等価放射度および星の質量にどのように依存するかを検討し、銀河形成モデルへの意味を評価すること。

提案手法

• SDSSメインサンプルの赤方偏移z ~ 0.1の銀河のrバンド画像に対して、PyMorphソフトウェアを用いてSersicおよびSerExp（Sersic＋指数的）プロファイルをフィットする。
• ハードな形態的カットではなく、ベイズ分類器で導出された重みを用いて形態的タイプ（例：初期型対後期型）を定義する。
• 初期型（Es, S0s, Sa）、後期型（Sbs, Scds）およびそれらの個々の成分（バルジとディスク）について、R-LおよびR-M*関係を分析する。
• 統計的フィッティングと関係の可視化による検査を組み合わせ、R-L関係の曲がりを定量的に評価し、曲がりの変化が見られる質量スケールを同定する。
• モデル仮定によるバイアスを分離するために、単一SersicとSerExpの両方のフィット結果を比較する。
• 銀河形成モデルへの制約を評価するために、等価放射度および星の質量の関数としてR-L関係の固有の散乱を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一SersicとSerExpのモデルフィットが、サイズ-等価放射度関係における導出された半光半径にどのようなバイアスを引き起こすか？
• RQ2 形態的分類法（ベイズ重み対ハードカット）がR-L関係に与える影響は何か？
• RQ3 初期型および後期型銀河のR-L関係は純粋なべき乗則であるか、それとも異なる物理的質量スケールを示す曲がりを示すか？
• RQ4 バルジ優勢型およびディスク優勢型銀河におけるバルジとディスクのR-L関係の違いは何か？
• RQ5 R-L関係の固有の散乱は、等価放射度や星の質量が増加するにつれて減少するか？その結果、銀河形成モデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 単一Sersicフィットは、二成分（SerExp）系をフィットする際、特にSersic指数nが大きく、B/T ≈ 0.6である場合に半光半径を過大評価し、顕著なバイアスを引き起こす。
• 初期型銀河のR-L関係は純粋なべき乗則ではなく、曲がりを示し、2つの明確な質量スケール（約3×10¹⁰ M⊙：最大密度点、約2×10¹¹ M⊙：ドライ合体優勢の始まり）が関与している。
• バルジ優勢系ではほぼ線形のR-L関係（R ∝ L⁰.⁸⁵）を示すが、後期型銀河のディスクでは強い曲がりを示し、低質量域ではR-L相関が弱い。
• ディスクのR-L関係は、後期型の全光度関係と平行に走るが、約0.1 dex上にずれており、構造的スケーリングの違いを示している。
• R-L関係の固有の散乱は、等価放射度および星の質量が増加するにつれて減少し、特に質量の大きな銀河では、形成モデルに対する制約が厳しくなる。
• 固定されたバルジ等価放射度および速度分散のもとで、R_bulge ∝ L_bulge / σ というスケーリングが成り立つが、これはバーリアルの定理では完全に説明できないため、動力学的スケーリングにおける未解決の問題を示している。