[논문 리뷰] Did most present-day spirals form during the last 8 Gyrs? A formation history with violent episodes revealed by panchromatic observations

F. Hammer, H. Flores외 4명|CERN Bulletin|2004. 10. 21.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 158

한 줄 요약

이 논문은 대부분의 현대 중간 질량 성간 나선은 최근 80억 년 동안 주로 대규모 분할, 소규모 분할, 가스 유입으로 인한 폭력적이고 주기적인 별 형성 덕분에 별을 형성하고 주요 구조적 변화를 겪었다고 제안한다. 다중 파장 관측을 통해 이들 은하의 38%가 z=1 이후에 별 질량이 형성되었으며, 주로 빛나는 적외선 은하(LIRGs)에서 발생했음을 입증한다. 이 중 75±25%의 나선은 최근에 대규모 분할을 경험하여 계층적 은하 형성 이론에 부합하는 바와 같이 부두와 디스크를 재구성했다.

ABSTRACT

(abridged) Studies of distant galaxies have shown that ellipticals and large spirals were already in place 8 Gyr ago, leading to a very modest recent star formation in intermediate mass galaxies. This is challenged by a recent analysis (Heavens et al. 2004) of the fossil record of the stellar populations of ~10^5 nearby galaxies, which show that intermediate mass galaxies have formed or assembled the bulk of their stars 4 to 8 Gyr ago. Here we present direct observational evidence supporting the Heavens et al's findings from a long term, multi-wavelength study of 195 z>0.4 intermediate mass galaxies, mostly selected from the CFRS survey. We show that a recent and efficient star formation is revealed at IR wavelengths since ~15% of intermediate mass galaxies at z>0.4 are indeed luminous IR galaxies (LIRGs), a phenomenon far more common than in the local Universe. The star formation in LIRGs is sufficient in itself to produce 38% of the total stellar mass of intermediate mass galaxies and then to account for most of the reported stellar mass formation since z=1. The high occurrence of LIRGs is easily understood only if they correspond to episodic peaks of star formation, during which galaxies are reddened through short IREs (infrared episodes). We examine how galaxy IREs can be related to the emergence at high redshift, of the abundant population of galaxies with small size, blue core and many irregularities. We show that recent merging and gas infall naturally explain both morphological changes and episodic star formation history in a hierarchical galaxy formation frame. We propose a simple scenario in which 75+-25% of intermediate mass spirals have experienced recently their last major merger event, leading to a drastic reshaping of their bulges and disks during the last 8 Gyrs.

연구 동기 및 목표

• z=1 이후에 관측된 저조도 자외선 별 형성률과 높은 추정 별 질량 형성 간의 괴리를 해결하기 위해.
• 중간 질량 은하에서 누락된 별 질량을 설명하기 위해 먼지에 둘러싸인 별 형성(적외선 관측을 통한)의 역할을 조사하기 위해.
• 분할과 가스 유입과 연관된 폭력적이고 주기적인 별 형성의 형태가 나선의 형태학적 진화와 질량 집합을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 적외선 및 옵티컬 데이터를 사용하여 최근 별 형성에 기여하는 대규모 분할, 소규모 분할, 가스 유입의 기여도를 정량화하기 위해.
• 은하 형성의 관측된 경향과 일치시키기 위해, 최근에 LIRG와 밀집 은하의 밀도가 감소하는 것과 대규모 나선과 타원 은하의 수 밀도가 우주 시간에 걸쳐 안정적인 이유를 설명하기 위해.

제안 방법

• 캐나다-프랑스 적성도 조사(Canada-France Redshift Survey, CFRS)에서 195개의 z > 0.4 중간 질량 은하를 대상으로 장기적이고 다중 파장 관측을 수행하여 자외선, 옵티컬, 적외선 데이터를 통합했다.
• 빛나는 적외선 은하(LIRGs)를 식별하기 위해 적외선 빛나는도(LIR > 10^11 L☉)를 사용하였으며, 이는 고도의 먼지에 둘러싸인 별 형성의 강력한 지표이다.
• LIRGs의 별 형성률과 수명을 통합하여 총 별 질량 형성에 기여도를 계산하였으며, z=1 이후 총 별 질량의 38%가 형성되었음을 추정하였다.
• 적외선 에피소드(IREs)를 짧은 기간 동안의 먼지로 빛나는 별 폭발 단계로 모델링하였으며, z=1에서 z=0.4 사이에 각 은하당 4–5 × (τIRE / 0.1 Gyr)^−1회의 IREs가 발생했음을 추정하였다.
• z≈0.7의 발광선 은하의 밝기-금속도 관계를 분석하여, 지역 나선 은하보다 평균적으로 약 2배 정도 금속도가 낮은 것으로 발견하였다.
• 8개의 관측된 진화 경향(자외선 및 적외선 빛나는도 밀도 감소, 분할률, LIRG/밀집 은하의 수 밀도 등)과의 일관성을 테스트하여 은하 형성 시나리오를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 질량 은하에서 z=1 이후 관측되지 않는 별 질량 형성의 대부분을 빛나는 적외선 은하(LIRGs)가 차지하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 중간 질량 나선은 최근 80억 년 동안 얼마나 자주 폭력적이고 분할에 의해 유도된 별 형성 에피소드(IREs)를 겪는가?
• RQ3 최근의 대규모 분할과 가스 유입에 기반한 최근의 나선의 형태학적 진화(예: 부두 성장, 디스크 형성)는 계층적 형성 프레임워크 내에서 설명될 수 있는가?
• RQ4 최근의 宇宙 별 형성 역사 정점에 기여하는 대규모 분할, 소규모 분할, 가스 유입의 상대 기여도는 무엇인가?
• RQ5 왜 LIRG와 밀집, 비정형 은하는 z≈1에서 오늘날로 이르러 수 밀도가 감소하는 반면, 대규모 나선과 타원 은하는 수 밀도가 안정적인가?

주요 결과

• z > 0.4에서의 빛나는 적외선 은하(LIRGs)는 중간 질량 은하의 총 별 질량의 38%를 차지하며, 이는 대부분의 최근 별 형성이 먼지에 의해 숨겨져 있음을 시사한다.
• z > 0.4에서 LIRGs의 높은 발생 빈도는 은하들이 주기적이고 폭력적인 별 형성을 겪었음을 시사하며, 각 은하가 z=1에서 z=0.4 사이에 4에서 5 × (τIRE / 0.1 Gyr)^−1회의 적외선 에피소드(IREs)를 경험했음을 추정한다.
• z≈0.7의 발광선 은하의 평균 금속도는 지역 나선 은하보다 약 2배 정도 낮으며, 이는 최근에 금속도 낮은 별 형성 에피소드가 있었다는 가정을 지지한다.
• 75±25%의 중간 질량 나선이 최근에 대규모 분할을 경험했으며, 이는 부두와 디스크의 재구성과 함께 먼지 은하와 지역 은하를 일관된 형성 시나리오로 연결한다.
• 이 시나리오는 자외선 및 적외선 빛나는도 밀도, 분할률, LIRG와 밀집 은하의 수 밀도가 z=1에서 오늘날로 감소하는 것을 동시에 설명하며, 대규모 나선과 타원 은하의 수 밀도가 안정적이라는 점을 설명한다.
• 모델은 최근 적외선 별 형성 밀도의 42%, 22%, 36%가 각각 대규모 분할, 소규모 분할, 가스 유입으로 기인한다고 예측하며, 관측 제약 조건과 일치한다.