[논문 리뷰] Disk galaxy scaling relations at intermediate redshifts - I. The Tully-Fisher and velocity-size relations

A. Boehm, B. Ziegler|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 69인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 VLT/FORS 분광법과 HST/ACS 이미징을 사용하여 $ z \approx 0.05 $ 에서 $ 1 $ 사이의 124개의 디스크은하 샘플을 운동학적으로 유도하여 최대 회전속도($ V_{\rm max} $), 빛의 세기, 디스크 크기를 측정한다. 분석 결과, 고정된 $ V_{\rm max} $ 조건에서 $ z \approx 1 $ 에서의 은하는 국소 은하들보다 $ \sim 1.2\,\text{mag} $ 더 밝고 $ \sim 1.5\times $ 더 작으며, Tully-Fisher 및 속도-크기 관계의 산란도 $ z \approx 0.5 $ 에서 약 2배 증가하여 약 8\,\text{Gyr} 동안 빛의 세기와 크기 측면에서의 상당한 진화가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We took spatially resolved slit spectra of 261 field disk galaxies at redshifts up to z~1 using the FORS instruments of the ESO Very Large Telescope. Our spectroscopy was complemented with HST/ACS imaging in the F814W filter. We analyzed the ionized gas kinematics by extracting rotation curves from the 2-D spectra. Taking into account all geometrical, observational and instrumental effects, these rotation curves were used to derive the intrinsic Vmax. Neglecting galaxies with disturbed kinematics or insufficient spatial rotation curve extent, Vmax could be robustly determined for 124 galaxies covering redshifts 0.05

연구 동기 및 목표

• 고적색편이 영역에서의 운동학적 데이터를 활용하여 디스크은하 척도관계—특히 Tully-Fisher 및 속도-크기 관계의 우주적 시간에 따른 진화를 측정하기 위해.
• Tully-Fisher 관계(빛의 세기 대비 $ V_{\rm max} $)와 속도-크기 관계($ V_{\rm max} $ 대비 디스크 스케일 길이)가 적색편이에 따라 영점, 기울기 또는 산란에서 변화하는지 여부를 규명하기 위해.
• 관측된 빛의 세기 및 크기 진화의 물리적 원인을 조사하기 위해, 별성분 연령 및 다크 물질 질량 비율 변화의 영향을 분석하기 위해.
• 중간 적색편이에서 관측된 척도관계 산란 증가의 원인이 비원형 운동, 축 정렬 오차, 또는 별성분 영향에 기인한 것인지 평가하기 위해.
• 지역 척도관계에서의 빛의 세기 및 크기 변화에 있어 떨어진 정도가 서로 독립적인지 비교함으로써 두 매개변수 간의 분리 진화를 탐색하기 위해.

제안 방법

• ESO의 Very Large Telescope에 탑재된 FORS 기구를 사용하여 $ 0.05 < z < 0.97 $ 의 261개의 필드 디스크은하에 대해 공간 해상도를 갖춘 슬릿 분광법 측정을 수행하였으며, 관측 런은 65.O-0049부터 081.B-0107A까지이다.
• 스펙트럼에서 2차원 운동학적 지도를 추출하여 원형 운동곡선을 유도하고, 기구적, 기하학적, 관측적 요인을 보정하여 진정한 $ V_{\rm max} $ 를 산정하였다.
• VLT 분광법과 HST/ACS F814W 이미징을 융합하여 디스크 스케일 길이 및 기하학적 파rameter(기울기, 효율 반경 등)를 측정하였다.
• 멀리 떨어진 은하에 대해 Tully-Fisher 관계(빛의 세기 대비 $ V_{\rm max} $)와 속도-크기 관계($ V_{\rm max} $ 대비 스케일 길이)를 수립하고, 지역 기준 샘플과 비교하였다.
• 측정 오차 및 선택 효과를 보정한 통계적 보정을 통해 Tully-Fisher 및 속도-크기 관계의 내재 산란을 정량화하였다.
• 흡수 보정된 $ (B-R) $ 색상에서 복귀 기준 $ B $-대역 별성 질량-광도 비율을 계산하여 산란 진화에 별성분의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색편이 $ z \approx 0 $ 에서 $ z \approx 1 $ 사이에서 Tully-Fisher 관계의 영점과 산란이 어떻게 변화하는가? 고정된 $ V_{\rm max} $ 조건에서의 빛의 세기 오프셋은 무엇인가?
• RQ2 적색편이 $ z \approx 1 $ 에서 디스크은하는 지역 속도-크기 관계에서 크기 및 $ V_{\rm max} $ 측면에서 얼마나 벗어나 있는가?
• RQ3 적색편이 $ z \approx 0.5 $ 에서 Tully-Fisher 및 속도-크기 관계의 산란 증가 원인이 비원형 운동, 축 정렬 오차, 또는 별성분 영향에 기인한 것인가?
• RQ4 가장 뚜렷한 빛의 세기 진화를 보이는 은하들이 가장 강한 크기 진화를 보이는가, 아니면 두 매개변수 사이에 분리된 진화 경로가 존재하는가?
• RQ5 별성분 연령 및 $ M/L $ 비율이 Tully-Fisher 관계에서 관측된 산란 진화의 주요 원인인가?

주요 결과

• 적색편이 $ z \approx 1 $ 에서 동일한 $ V_{\rm max} $ 조건에서 지역 은하들보다 복귀 기준 $ B $-대역에서 $ \Delta M_B = -(1.2 \pm 0.5)\,\text{mag} $ 더 밝은 것으로 나타나, 뚜렷한 빛의 세기 진화가 있음을 시사한다.
• 적색편이 $ z \approx 1 $ 에서 동일한 $ V_{\rm max} $ 조건에서 지역 은하들보다 크기가 약 $ \sim 1.5\times $ 감소한 것으로 나타나, 약 8\,\text{Gyr} 동안 강한 크기 진화가 있었음을 시사한다.
• Tully-Fisher 및 속도-크기 관계의 내재 산란은 $ z \approx 0.5 $ 에서 지역 우주보다 약 2배 더 크며, 중간 적색편이에서 운동학적 또는 구조적 다양성이 증가했음을 시사한다.
• 빛의 세기 진화와 크기 진화는 상관관계가 없으며, 가장 강한 크기 진화를 보이는 은하가 가장 밝은 것은 아니며, 그 반대도 마찬가지로 나타나, 두 매개변수의 독립적인 진화 경로가 존재함을 시사한다.
• 적색편이에 따라 별성 질량-광도 비율에 일관된 추세가 없으며, 이는 TFR 산란 증가의 원인이 비원형 운동 또는 축 정렬 오차일 가능성이 더 높음을 시사한다.
• 관측된 빛의 세기 및 크기 진화는 냉각 기체 유입 및 소형 충돌을 포함하는 천체역학 시뮬레이션 예측과 일치하며, 시간에 따라 외부 기체 유입을 통한 성장 메커니즘이 타당함을 지지한다.