[논문 리뷰] Deep MUSE observations in the HDFS. Morpho-kinematics of distant star-forming galaxies down to $10^8$M$_\odot$

T. Contini, B. Épinat외 21명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 114인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 허블 심연 남부에서 깊은 MUSE 적층 스펙트로스코피를 사용하여 0.2 < z < 1.4 범위 내 10⁸ M⊙까지의 저질량 성간 형성은 은하 28개의 형태운동학을 분석한다. 10⁹.⁵ M⊙ 이하의 은하 90%가 안정된 기체 디스크를 가지고 있으며, 대부분이 회전에 의해 지배되며 Tully-Fisher 및 각운동량 척도관계를 따르고 있어, 중간 적색편이에서 나선형에서 타원은하 유사 운동으로의 연속적 전이가 일어나고 있음을 시사한다. 특히 기체의 분산에 의해 지배되는 은하가 증가함에 따라 그러한 전이가 발생한다.

ABSTRACT

(Abridged) We make use of the deepest VLT/MUSE observations performed so far on the Hubble Deep Field South (HDFS) to characterize the low-mass (&lt; $10^{10}$M$_\odot$) galaxy population at intermediate redshift. We identify a sample of 28 spatially-resolved emission-line galaxies in the deep (27h integration time) MUSE data cube, spread over a redshift interval of 0.2 &lt; z &lt; 1.4. The public HST images and multi-band photometry over the HDFS are used to constrain the stellar mass and star formation rate (SFR) of the galaxies and to perform a morphological analysis. We derive the resolved ionized gas properties of these galaxies from the MUSE data and model the disk (both in 2D and with GalPaK$^{ m 3D}$) to retrieve their intrinsic gas kinematics. We build a sample of resolved emission-line galaxies of much lower stellar mass and SFR (by $\sim$1-2 orders of magnitude) than previous 3D spectroscopic surveys. Most of the spatially-resolved MUSE-HDFS galaxies have gas kinematics consistent with disk-like rotation, but about 20% have velocity dispersions larger than the rotation velocities, and 30% are part of a close pair and/or show clear signs of recent gravitational interactions. In the high-mass regime, the MUSE-HDFS galaxies follow the Tully-Fisher relation defined from previous surveys in a similar redshift range. This scaling relation extends also to lower masses/velocities but with a higher dispersion. The MUSE-HDFS galaxies follow the scaling relations defined in the local universe between the specific angular momentum and the stellar mass. However, we find that intermediate-redshift star-forming galaxies fill a continuum transition from the spiral to elliptical local scaling relations, according to the dynamical state of the gas. This indicates that some galaxies may lose their angular momentum and become dispersion-dominated prior to becoming passive.

연구 동기 및 목표

• 중간 적색편이(z ≈ 0.3–0.7)에서 저질량 성간 형성은 은하(M⋆ ≤ 10¹⁰ M⊙)의 형태운동학을 규명하는 것, 이는 이전에 적층 스펙트로스코피로 잘 연구되지 않은 영역이다.
• 성간 형성은 은하의 역학 상태(회전에 의해 지배되는지, 분산에 의해 지배되는지)와 상호작용 비율이 은하 질량에 따라 달라지는지 조사하는 것.
• Tully-Fisher 관계와 특정 각운동량 척도관계가 z ~ 0.3–1.4에서 저질량 은하로까지 확장되는지 테스트하는 것.
• 저질량, 고적색편이 은하에서 기체 운동학, 구조적 특성, 암흑물질 환경의 스핀 간의 연관성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 허블 심연 남부의 1 아크분² 영역에서 27시간에 걸친 깊은 MUSE 적층 스펙트로스코피를 확보하여, 1σ 표면 밝기 한계가 1×10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²이고 공간 해상도가 약 0.7″이 되도록 하였다.
• HST 다밴드 광도계측과 Galfit를 사용하여 MUSE 데이터 큐브 분석을 통해 28개의 공간적으로 분해 가능한 발광선 은하를 식별하였으며, 은하의 별질량, 항성 형성률(SFR), 형태학적 파rameter(디스크 스케일 길이, 기울기, 위치각)를 유도하였다.
• 이온화된 기체 운동학을 2차원 및 3차원 디스크 피팅을 사용하여 GalPaK3D로 모델링하여 최대 회전속도(Vmax)와 속도 분산(σ)을 추출하고, V/σ 비율을 계산하였다.
• 기울기 보정된 Vmax와 별질량을 사용하여 Tully-Fisher 관계를 구성하고, 이는 지역 및 고적색편이 설문 조사와 비교하였다.
• 은하의 특정 각운동량(j⋆)과 스핀 파라미터(λ)를 계산하고, 암흑물질 환경 모델의 예측과 비교하였다.
• V/σ < 1 또는 ≥ 1 기준으로 은하를 회전에 의해 지배되는지, 분산에 의해 지배되는지 분류하였으며, 가까운 쌍성과 형태학적 교란을 통해 상호작용 징후를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ~ 0.3–0.7에서 별질량 M⋆ < 10⁹.⁵ M⊙인 저질량 성간 형성은 은하들이 디스크 유사 운동학을 보이거나, 대부분 분산에 의해 지배되는가?
• RQ2 Tully-Fisher 관계는 저질량, 저SFR 은하로까지 어떻게 확장되며, 이의 산란도 더 큰 질량 은하와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 중간 적색편이 성간 형성은 은하의 형태운동학적 특성이 지역 척도관계(각운동량 및 별질량 기반)를 어느 정도 따르는가?
• RQ4 상호작용 또는 역학적으로 교란된 은하의 비율은 질량에 따라 변화하는 경향이 있으며, 더 큰 질량 시스템과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 z ~ 0.3–1.4에서 저질량 은하들이 억제되기 이전에 분산에 의해 지배되는 상태로 전이되는 증거를 보이며, 이는 일부 이론 모델이 예측한 바와 일치하는가?

주요 결과

• MUSE-HDFS 은하 중 별질량이 10⁹.⁵ M⊙ 이하인 90%가 안정된 기체 디스크를 가지고 있으며, 이는 저질량 시스템에서 초기에 디스크가 형성되었음을 시사한다.
• 표본의 약 20%가 분산에 의해 지배되며(V/σ < 1), 이 비율은 z ~ 1–2에서 더 큰 질량 은하에서 관측된 비율과 유사하여, 역학적 상태에 있어서 질량 의존성이 크지 않음을 시사한다.
• 30%의 은하가 가까운 쌍성 또는 최근 중력적 상호작용의 징후를 보이며, 더 큰 질량 은하에 대한 이전 IFS 설문 조사와 일관된다.
• 고질량 영역(M⋆ > 10⁹.⁵ M⊙)의 회전에 의해 지배되는 은하들은 z ≈ 0.2–1.4 범위에서 이전 설문 조사에서 정의된 Tully-Fisher 관계를 따르고 있다.
• 저질량 영역에서는 슬릿 스펙트로스코피에서 유도된 TFR를 일반적으로 따르지만, 더 큰 질량 영역보다 산란도가 더 크다.
• MUSE-HDFS 은하들은 지역 척도관계(특정 각운동량과 별질량 간 관계)를 따르지만, 역학적 상태에 따라 나선형에서 타원은하 유사 관계로의 연속적 전이를 나타내며, 억제 이전에 각운동량 손실 가능성이 있음을 시사한다.