[論文レビュー] The MUSE Extremely Deep Field: Evidence for SFR-induced cores in dark-matter dominated galaxies at z=1

N. Bouché, Samuel Bera+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、MUSE極深宇宙フィールドの3次元積分場分光法を用い、星形成銀河（SFG）の運動学およびダークマター（DM）含量を、赤方偏移z ≈ 1の低星形成質量（10⁸.⁵–10¹⁰.⁵ M⊙）の9個の銀河で分析した。半光半径内でのDM割合は高く（60–95%）、星形成率が高い銀河ではコア型DMプロファイルが一般的であり、ΛCDMフレームワーク内でのフィードバック誘発的コア形成を支持する。

ABSTRACT

Disc-halo decomposition on rotationally supported star-forming galaxies (SFGs) at $z>1$ are often limited to massive galaxies ($M_\star>10^{10}~M_\odot$) and rely on either deep Integral Field Spectroscopy data or stacking analyses. We present a study of the dark matter (DM) content of nine $z\approx1$ SFGs selected Using the brightest [OII] emitters in the deepest Multi-Unit Spectrograph Explorer (MUSE) field to date, namely the 140hr MUSE Extremely Deep Field, we perform disk-halo decompositions on 9 low-mass SFGs (with $10^{8.5}<M_\star<10^{10.5}~M_\odot$) using a novel 3D modeling approach, which together with the exquisite S/N allows us to measure individual rotation curves to $3 imes R_e$. The disk-halo decomposition includes a stellar, DM, gas, and occasionally a bulge component. The DM component primarily uses the generalized $\alpha,\beta,\gamma$ profile or a Navarro-Frenk-White (NFW) profile. The disk stellar masses $M_\star$ obtained from the [OII] disk-halo decomposition agree with the values inferred from the spectral energy distributions. While the rotation curves show diverse shapes, ranging from rising to declining at large radii, the DM fractions within the half-light radius $f_{ m DM}(<R_e)$ are found to be 60\% to 95\%, extending to lower masses (densities) recent results on massive SFGs with $M_\star>10^{10}~M_\odot$. The DM halos show constant surface densities of $\sim100~M_\odot$ pc$^{-2}$. Half of the sample shows a strong preference for cored over cuspy DM profiles. The presence of DM cores appears to be related to galaxies with stellar-to-halo mass $\log M_\star/M_{ m vir}\approx-2.5$. In addition, the cuspiness of the DM profiles is found to be a strong function of the recent star-formation activity. Both of these results are interpreted as evidence for feedback-induced core formation in the Cold Dark Matter context.

研究の動機と目的

• z ≈ 1の低質量・高赤方偏移星形成銀河（SFG）におけるダークマター含量および分布を測定すること。
• これらの銀河におけるダークマター密度プロファイルがコア型か急峻型か、およびそれが星形成活動とどのように関係するかを検証すること。
• 観測されたDM割合および集中度がΛCDM予測と整合的であるかを評価すること。
• 初期銀河における星形成歴とDMハロー構造との関係を調査すること。

提案手法

• [O II]線の3次元パラメトリックモデリングを用いて、半光半径のおよそ3倍までの個々の回転曲線を導出する。
• 一般化されたα、β、γ、またはナバロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）プロファイルを用い、星形成、ダークマター（DM）、ガス、バルジ成分を含むディスク・ハロー分解を実施する。
• Di Cintioら（2014）のフィードバック駆動コア形成モデルを適用し、バリアオン内容とDMプロファイル形状の関係を結びつける。
• スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングを用いて、独立的に星形成質量を推定し、相互検証を行う。
• SFRおよびSFR面密度関数としてのDM表面密度、内側勾配（γ）、星形成質量/ハロー質量比（M⋆/Mvir）の統計的分析。
• 観測されたDM集中度（cvir − Mvir）を、ダークマターのみのシミュレーションからの予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 1の低質量・高赤方偏移星形成銀河は、コア型か急峻型の密度プロファイルを有するダークマターハローを有するか？
• RQ2 これらの銀河において、DMコアの存在と最近の星形成活動のレベルとの間に相関があるか？
• RQ3 Re内での観測されたDM割合は、ΛCDMシミュレーションやTully-Fisher関係のような局所的関係の予測とどのように比較されるか？
• RQ4 DM表面密度および集中度パラメータは、ダークマターのみのシミュレーションからの理論的期待とどの程度整合するか？
• RQ5 超新星駆動型外流などのフィードバック過程は、z ≈ 1のSFGで観測されたコア型DMプロファイルを説明できるか？

主な発見

• [O II]回転曲線から導出したディスク星形成質量は、SEDから得られた値と一致しているが、2つの銀河（ID 919, 943）は近接する同伴銀河の影響を受けており、運動学に摂動が見られる。
• 半光半径内でのダークマター割合（fDM(< Re)）は60%から95%にわたり、これらの低質量SFGはDM支配的であり、以前の結果をより低い星形成質量まで拡張する。
• ダークマター表面密度はサンプル全体で約100 M⊙ pc⁻²でほぼ一定であり、普遍的なスケーリング関係と整合的である。
• 孤立銀河の約半数が、急峻型プロファイルよりもコア型プロファイルを強く支持しており、特に星形成質量/ハロー質量比が低い銀河（log M⋆/Mvir ≈ −2.5）にコア型が顕著に見られる。
• DMプロファイルの内側勾配（γ）は、最近の星形成活動と強く相関しており、マイン・シーケンス（MS）上にある、またはSFR面密度が高い銀河はコア型プロファイルを示し、MS下にある、またはSFR面密度が低い銀河は急峻型プロファイルを示す。
• 観測された集中度-質量関係（cvir − Mvir）は、ダークマターのみのシミュレーションからの予測と整合的であり、z ≈ 1におけるΛCDMフレームワークの妥当性を支持する。