[論文レビュー] The Properties of the Star-Forming Interstellar Medium at z=0.84-2.23 from HiZELS - I: Mapping the Internal Dynamics and Metallicity Gradients in High-Redshift Disk Galaxies

A. M. Swinbank, David Sobral+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、z=0.84–2.23 の 9 個の Hα 選択銀河を対象に、適応望遠鏡分光法を用いて電離ガスの運動学的構造と金属量勾配をマッピングした。その結果、高赤方偏移銀河ディスクは強い回転運動と負の金属量勾配を示すことが明らかになった。主な発見として、z≈1.5 から z=0 にかけて B バンドの質量対光度比が 3.5 倍に増加しており、星形成駆動のスケーリング関係における強い進化が示された。星形成効率の一定性を示す星質量 Tully-Fisher 関係の進化が、物質変換効率の固定と関連している。

ABSTRACT

We present adaptive optics assisted, spatially resolved spectroscopy of a sample of nine H-alpha-selected galaxies at z=0.84--2.23 drawn from the HiZELS narrow-band survey. These galaxies have star-formation rates of 1-27Mo/yr and are therefore representative of the typical high-redshift star-forming population. Our ~kpc-scale resolution observations show that approximately half of the sample have dynamics suggesting that the ionised gas is in large, rotating disks. We model their velocity fields to infer the inclination-corrected, asymptotic rotational velocities. We use the absolute B-band magnitudes and stellar masses to investigate the evolution of the B-band and stellar mass Tully-Fisher relationships. By combining our sample with a number of similar measurements from the literature, we show that, at fixed circular velocity, the stellar mass of star-forming galaxies has increased by a factor 2.5 between z=2 and z=0, whilst the rest-frame B-band luminosity has decreased by a factor ~6 over the same period. Together, these demonstrate a change in mass-to-light ratio in the B-band of Delta(M/L_B)/(M/L_B)_(z=0) \sim 3.5 between z=1.5 and z=0, with most of the evolution occurring below z=1. We also use the spatial variation of [NII]/Halpha to show that the metallicity of the ionised gas in these galaxies declines monotonically with galacto-centric radius, with an average Delta(log O/H)/DeltaR=-0.027+/-0.005dex/kpc. This gradient is consistent with predictions for high-redshift disk galaxies from cosmologically based hydrodynamic simulations.

研究の動機と目的

• z=0.84–2.23 の高赤方偏移星形成ディスク銀河の内部運動学的構造と金属量構造を測定すること。
• 宇宙時間にわたる、静止フレーム B バンド光度および星質量における Tully-Fisher 関係の進化を検証すること。
• 観測された金属量勾配が宇宙論的流体力学的シミュレーションおよび銀河形成モデルと整合するかを評価すること。
• 高赤方偏移ディスクがスケーリング関係に従って進化するのか、それとも顕著な構造的変化を経験するのかを特定すること。
• ガス降着とフィードバックがディスクのスケーリング関係および化学組成プロファイルをどのように形作っているかを制約すること。

提案手法

• z=0.84–2.23 の HiZELS サーベイに由来する 9 個の Hα線源銀河について、空間分解能を有する適応望遠鏡支援 SINFONI 分光法を取得した。
• Hα および [N ii] 線を用いて電離ガスの運動学的構造をマッピングし、回転曲線および速度場を導出した。
• 速度場をモデル化して傾き補正済みの漸近的回転速度（V_circ）および動的質量を推定した。
• 文献データと統合して、赤方偏移にわたる静止フレーム B バンドおよび星質量 Tully-Fisher 関係を構築した。
• 空間分解能のある [N ii]/Hα 比を用いて、電離ガスにおける半径方向の金属量勾配を測定した。酸素候補として O/H に依存するプロキシを仮定した。
• 観測されたスケーリング関係および金属量勾配を、宇宙論的流体力学的シミュレーションおよび半アナリティカルモデルの予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移星形成ディスク銀河は大規模で秩序ある回転を示すのか。その動的質量はどの程度か。
• RQ2 B バンドおよび星質量 Tully-Fisher 関係は z≈2 から z=0 にかけてどのように進化するのか。星形成効率に何を示唆するのか。
• RQ3 高赤方偏移ディスクにおける電離ガスの ISM の半径方向金属量勾配は何か。また、局所銀河およびシミュレーションと比較するとどうなるか。
• RQ4 観測された Tully-Fisher 関係の進化は、ガス降着およびフィードバック駆動のディスク進化と整合的か。
• RQ5 高赤方偏移ディスクは、局所のスパイラル銀河と同じスケーリング関係に従うのか。それとも、別個の形成メカニズムを必要とするのか。

主な発見

• サンプル銀河の約半数が、運動論的モデリングにより導出された傾き補正済み回転速度を有する大規模な回転する電離ガスディスクを示した。
• 静止フレーム B バンド Tully-Fisher 関係には強い進化が見られ、固定された回転速度において B バンド光度が z≈2 から z=0 にかけて約 6 倍減少した。
• 星質量 Tully-Fisher 関係には僅かな進化しかなく、z=2 から z=0 にかけて星質量が 2.5 倍に増加した。これは、ほぼ一定のバリオン物質変換効率を示している。
• B バンドの質量対光度比は z≈1.5 から z=0 にかけて Δ(M/L_B)/(M/L_B)_z=0 ≈ 3.5 の要因で進化し、その大部分の進化は z<1 で発生した。
• 電離ガスにおける平均的な半径方向金属量勾配は Δlog(O/H)/ΔR = −0.027 ± 0.005 dex kpc⁻¹ であり、局所ディスクおよび宇宙論的シミュレーションで観測された負の勾配と整合的であった。
• 高赤方偏移ディスクは、固定された回転速度において、局所ディスクよりも 1.5 倍小さいサイズを示しており、外流または遅延降着による角運動量の進化を示唆している。