[論文レビュー] When did the Large Elliptical Galaxies Form?

P. J. E. Peebles|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2002

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、高赤方偏移銀河調査の観測的制約と一貫性のある星族モデルを用いて、大規模な楕円銀河は赤方偏移 z ≈ 2 までにその星族質量の半数以上が集積されたと主張している。この早期形成は、標準的な ΛCDM モデルの予測とは矛盾しており、これは現在の銀河形成理論に挑戦するものである。

ABSTRACT

The simple reading of the evidence is that the large elliptical galaxies existed at about the present star mass and comoving number density at redshift z=2. This is subject to the usual uncertainties of measurement and interpretation in astronomy, but should be taken seriously because it is indicated by quite a few lines of evidence. And it might be a guide to a more perfect theory of galaxy formation.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移調査からの観測的制約を用いて、大規模楕円銀河の形成時期を評価すること。
• 観測された早期銀河におけるきついスケーリング関係（例：色-等級関係、基本平面）が、星族質量の早期集積を示唆するかどうかを検証すること。
• ΛCDM モデルが、z ≈ 2 における巨大楕円銀河の共動的数密度と星質量と整合的かどうかを評価すること。
• 後期の合体や階層的成長が、早期形成を要しないまま観測された規則性を説明できるかどうかを検討すること。
• 特に巨大銀河の集積時期に関して、ΛCDM の予測と観測結果の間に生じる矛盾を特定すること。

提案手法

• 赤方偏移 z ≈ 0.5–1 のクラスタとハッブル・ディープフィールドにおける色-等級関係（CMR）の分析を通じて、星族の年齢と形成赤方偏移を推定する。
• 赤方偏移に依存する基本平面関係（FP）を用いて、楕円銀河の動力学的および構造的進化を制約する。
• 星族合成モデルを適用して、銀河の年齢と金属量の進化を推定し、色の進化速度 d(U−V)/dt ≈ −0.025 mag Gyr⁻¹ を用いる。
• z ≈ 2 における巨大銀河（M_star > 10^10.1 M☉）の観測された共動的数密度を、ΛCDM シミュレーション（例：Baugh et al. 1998, Nagamine et al. 2001）と比較する。
• z ≈ 3 におけるライマンブレイク銀河（LBG）の星質量を評価し、巨大楕円銀河の集積の上限赤方偏移を制限する。
• 観測された K-band 等級-赤方偏移関係と質量光度比が、消去的進化モデルと整合的かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された色と等級関係に基づいて、大規模楕円銀河の大部分の星がどの赤方偏移 z で形成されたと考えられるか？
• RQ2 観測された色-等級関係および基本平面関係のきつい散らばり具合は、後期の階層的集積と整合的か、それとも早期形成を示唆するか？
• RQ3 z ≈ 2 における巨大楕円銀河の観測された共動的数密度は、ΛCDM の予測とどのように比較されるか？
• RQ4 高赤方偏移における楕円銀河の観測された星質量関数と質量光度比は、z ≈ 2 からの消去的進化で説明可能か？
• RQ5 z ≈ 3 におけるライマンブレイク銀河の星質量は、巨大楕円銀河の集積の上限赤方偏移をどの程度制限するか？

主な発見

• 赤方偏移 z ≈ 0.5–1 における色-等級関係（CMR）は、U−V で ±0.05 mag の散らばりを示し、平均星族年齢に 2 Gyr の散らばりを示しており、共通の形成赤方偏移と整合的である。
• 基本平面および K-band 等級-赤方偏移関係の観測された進化は、z ≈ 2 にかけての早期形成を支持しており、それ以降の変化は最小限である。
• z ≈ 3 におけるライマンブレイク銀河からの星質量推定は、最大で 10^11 M☉ の質量を示しており、近くの巨大楕円銀河（例：ケンタウルスA：10^11.0 M☉、M87：10^11.5 M☉）に近い質量に達しており、z < 3 にかけて集積されたと示唆している。
• ΛCDM シミュレーションでは、z = 2 から現在にかけて M_star > 10^10.1 M☉ の銀河の共動的数密度が 50 倍に増加すると予測されており、これは巨大楕円銀河が z = 2 でほとんど存在しないはずであることを示唆している。これは、星質量の半数以上がすでに集積済みであるとすれば観測結果と矛盾する。
• ΛCDM シミュレーションでは、Bバンドの質量光度比は z = 1 から現在にかけてわずかに ~1 等級の変化しかせず、消去的進化と整合的であり、早期形成を支持している。
• α/Fe-光度および速度分散-ブラックホール質量関係の観測されたきつい散らばり具合は、後期の合体では説明が困難であり、これらの規則性を保存するには早期形成が必要であると示唆している。