[論文レビュー] zCOSMOS - 10k-bright spectroscopic sample. The bimodality in the Galaxy Stellar Mass Function: exploring its evolution with redshift

L. Pozzetti, M. Bolzonella+57 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jul 30, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 148被引用数 239

ひとこと要約

本論文は、zCOSMOS-bright 10k スペクトロスコピックサンプルから得られた銀河の星間質量関数（GSMF）を提示し、初期型銀河と後期型銀河に分けて二重のシェクテル関数で最もよく記述される二峰性分布を明らかにした。質量依存的進化（ダウンサイズ）が観測され、赤銀河は高質量でより早く形成されており、主に主要合体ではなく徐々に星形成が停止するプロセスによって駆動されている。また、形態的変化が色の変化（SFR停止）から1〜2 Gyr遅れることが示唆された。

ABSTRACT

We present the Galaxy Stellar Mass Function (MF) up to z~1 from the zCOSMOS-bright 10k spectroscopic sample. We investigate the total MF and the contribution of ETGs and LTGs, defined by different criteria (SED, morphology or star formation). We unveil a galaxy bimodality in the global MF, better represented by 2 Schechter functions dominated by ETGs and LTGs, respectively. For the global population we confirm that low-mass galaxies number density increases later and faster than for massive galaxies. We find that the MF evolution at intermediate-low values of Mstar (logM<10.6) is mostly explained by the growth in stellar mass driven by smoothly decreasing star formation activities. The low residual evolution is consistent with ~0.16 merger per galaxy per Gyr (of which fewer than 0.1 are major). We find that ETGs increase in number density with cosmic time faster for decreasing Mstar, with a median "building redshift" increasing with mass, in contrast with hierarchical models. For LTGs we find that the number density of blue or spiral galaxies remains almost constant from z~1. Instead, the most extreme population of active star forming galaxies is rapidly decreasing in number density. We suggest a transformation from blue active spirals of intermediate mass into blue quiescent and successively (1-2 Gyr after) into red passive types. The complete morphological transformation into red spheroidals, required longer time-scales or follows after 1-2 Gyr. A continuous replacement of blue galaxies is expected by low-mass active spirals growing in stellar mass. We estimate that on average ~25% of blue galaxies is transforming into red per Gyr for logM<11. We conclude that the build-up of galaxies and ETGs follows the same downsizing trend with mass as the formation of their stars, converse to the trend predicted by current SAMs. We expect a negligible evolution of the global Galaxy Baryonic MF.

研究の動機と目的

• Iバンド等級（I < 22.5）および赤方偏移までz ≈ 1をカバーする、8,500個の銀河で構成される大規模でスペクトロスコピックに確認されたサンプルを用いて、赤方偏移z ≈ 1までに銀河の星間質量関数（GSMF）を測定すること。
• 初期型銀河（ETGs）と後期型銀河（LTGs）に分けて、複数の分類基準を用いて二峰性GSMFの起源を解明すること。
• 観測されたGSMFの進化の背後にある進化メカニズム、特に星形成停止と合体プロセスの役割を特定すること。
• 半アナリティカルモデル（SAMs）の予測を検証するため、観測された進化とシミュレートされた合体率および星形成歴を比較すること。
• 宇宙時間にわたるGSMFおよびGBMF（銀河バリオン質量関数）の形状を決定する要因として、滑らかな質量増加、微小合体、主要合体の相対的寄与度を評価すること。

提案手法

• 本研究は、1.4 deg²の領域にあり、zCOSMOS-bright 10k スペクトロスコピック調査から得られた8,500個の銀河を用い、Iバンド等級（I < 22.5）および赤方偏移z ≈ 1までをカバーする。
• 銀河タイプは、スペクトルエネルギー分布（SED）、形態、スペクトル特徴（例：D_n4000）、星形成活動（SFR）といった複数の独立した基準を用いて分類した。
• GSMFは赤方偏移および質量のビンに分け、初期型と後期型銀河の二峰性分布をモデル化するために、二つのシェクテル関数の和でフィットした。
• 赤方偏移にわたる数密度および質量密度の進化を定量的に評価し、特に中〜低質量（log(M/M☉) ~ 10.5）および高質量（log(M/M☉) > 11）の集団に注目した。
• SFRの停止が主因であると仮定し、赤銀河の密度増加と青銀河の密度減少の比較から、銀河変換の速度を推定した。
• 残存進化の推移から合体率を推定し、説明されない増加は合体によるものと仮定した。その結果、平均で1Gyrあたり1銀河あたり約0.16回の合体率（うち主要合体は0.1未満）が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移z ≈ 1までに、銀河の星間質量関数（GSMF）の形状と進化はどのように変化するか。これは単一関数か、二峰性関数で最もよく記述されるか？
• RQ2 初期型銀河と後期型銀河の数密度は赤方偏移とともにどのように変化するか。これはそれぞれの形成 timescale にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 観測されたGSMFの進化は、徐々に星形成が停止するプロセスと比較して、主要合体イベントに起因する程度はどの程度か？
• RQ4 銀河の形態的変化（例：スパイラルからセフェイド）は、色の変化（SFR停止）より前か後か？
• RQ5 現在の銀河形成の半アナリティカルモデル（SAMs）の予測と、観測された進化率はどのように一致するか？

主な発見

• 全般的なGSMFは明確な二峰性を示し、初期型銀河（ETGs）と後期型銀河（LTGs）にそれぞれ対応する二つのシェクテル関数で最もよくフィットする。これは銀河集団における根本的な二分法を確認するものである。
• 中〜低質量銀河（log(M/M☉) ~ 10.5）では、z = 1からz = 0にかけて数密度が2倍に増加するが、高質量銀河（log(M/M☉) > 11）では15％未満の増加にとどまる。これは質量依存的進化を示している。
• 中〜低質量領域のGSMFの進化は、主に星形成活動の徐々な減少に起因しており、主要合体によるものではない。残存進化を説明するには、1銀河あたり1Gyrあたり約0.16回の合体（主要合体は0.1未満）で十分である。
• 中質量ETGの数密度は宇宙時間とともに顕著に増加しており（z = 0.7からz = 0.2の間でlog(M/M☉) = 10.3–10.7の範囲で4〜2倍）、これは階層的SAMの予測とは一致しないトップダウンの構築歴を示している。
• 青銀河の色の変化（SFR停止）が、赤セフェイドへの形態的変化よりも1〜2 Gyr前に発生しており、これはSFR停止の後に内部的プロセス（ディスク不安定性）が形態的変化を引き起こす可能性を示唆している。
• 銀河バリオン質量関数（GBMF）は、全集団ではほとんど進化が認められず、中〜高質量の青銀河集団では宇宙時間とともに減少する。これは、主に滑らかな質量増加とSFR停止が支配的であり、主要合体による変化は小さいという状況と整合的である。