[논문 리뷰] Formation of S0 galaxies through mergers. Evolution in the Tully-Fisher relation since $z\sim1$

Trinidad Tapia, M. C. Eliche‐Moral외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 148인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 거대한 S0은 가속화된 병합으로 인해 $z\sim1.8-1.5$에서 형성된 후 고립 상태에서 수동적 진화를 겪으며, 이로 인해 $z\sim0.8$에서 Tully-Fisher 관계(TFR) 이질점에서 $z=0$에 이르러 국지 TFR과 일치하는 위치로 이동한다. 이 모델은 $V_{\mathrm{circ}}$ 기반 운동학을 사용하여 관측된 S0의 TFR 이격과 산란을 설명하며, 반대 방향 병합 잔여물은 역방향 회전 S0와 일치한다.

ABSTRACT

(Abridged version) We explore whether a scenario that combines an origin by mergers at $z\sim$1.8-1.5 with a subsequent passive evolution of the resulting S0 remnants since $z \sim$0.8-1 is compatible with observational data of S0s in the Tully-Fisher relation (TFR). We studied a set of major and minor merger experiments from the GalMer database that generate massive S0 remnants. We analysed the location of these remnants in the photometric and stellar TFRs assuming that they correspond to $z\sim0.8$ galaxies. We then estimated their evolution in these planes over the last 7 Gyr. The results were compared with data of real S0s and spirals at different redshifts. We also tested how the use of Vcirc or Vrot,max affects the results. We found that just after $\sim$1-2 Gyr of coalescence, major mergers generate S0 remnants that are outliers of the local photometric and stellar TFRs at $z\sim0.8$. After $\sim$4-7 Gyr of passive evolution in isolation, the S0 remnants move towards the local TFR, although the initial scatter among them persists. This scatter is sensitive to the indicator used for the rotation velocity: Vcirc values yield a lower scatter than when Vrot,max values are considered instead. In the planes involving Vrot,max, a clear segregation of the S0 remnants in terms of the spin-orbit coupling of the model is observed, in which the remnants of retrograde encounters overlap with local S0s hosting counter-rotating discs. The location of the S0 remnants at $z\sim 0$ agrees well with the observed distribution of local S0 galaxies in the $σ_0$-$M_K$, Vcirc-$σ_0$ and Vrot,max-$σ_0$ planes. Thus, massive S0 galaxies may have been formed through major mergers that occurred at high redshift and have later evolved towards the local TFR through passive evolution in relative isolation, a mechanism that would also contribute to the scatter observed in this relation.

연구 동기 및 목표

• 주요 병합과 그 후 수동적 진화가 $z\sim0.8$에서 $z=0$로 이르는 S0의 Tully-Fisher 관계에서의 진화를 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 고적색도에서 TFR 이질점으로 나타나는 S0 잔여물이 수동적 진화를 거쳐도 국지 TFR과 일치하는 위치로 진화할 수 있는지 평가하기 위해.
• 다른 운동학 지표—$V_{\mathrm{circ}}$와 $V_{\mathrm{rot,max}}$—가 S0 잔여물의 TFR 위치에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 병합 시뮬레이션에서의 스핀-오비트 결합이 국지 S0에서 관측되는 운동학 다양성(역방향 회전 디스크 포함)을 재현할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• GalMer 데이터베이스에서 유래한 주요 및 보조 병합 이벤트를 시뮬레이션하여 거대하고 동역학적으로 안정된 S0 유사 잔여물들을 생성하였다.
• 이 잔여물들에 대해 $z\sim0.8$에서 $V_{\mathrm{circ}}$와 $V_{\mathrm{rot,max}}$를 회전 속도 지표로 사용하여 광학적 및 항성 Tully-Fisher 관계를 수립하였다.
• 약 7 Gyr 동안의 수동적 진화를 모델링하여 고립 상태에서의 잔여물 노화를 시뮬레이션하였으며, 항성 집단의 퇴색과 잔류 성간 별 형성 영향을 포함하였다.
• 관측 데이터와의 비교를 위해 잔여물의 빛의 세기와 속도 변화를 $M_K$–$V$, $\sigma_0$–$M_K$, $V$–$\sigma_0$ 평면에서 추적하였다. 이는 $z=0$과 $z\sim0.8$에서의 관측 데이터와 비교하기 위함이었다.
• 병합의 초기 천체들 간의 스핀-오비트 결합을 분석하여 그 결과로 생긴 S0 잔여물의 운동학적 구조에 미치는 영향을 평가하였다.
• 모델의 결과를 국지 S0와 고적색도의 나선은하/S0에 대한 관측 데이터와 비교하여, 관측된 TFR 이격과 산란과의 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 병합으로 형성된 S0가 $z\sim1.8-1.5$에서 형성된 후 약 7 Gyr의 수동적 진화를 거쳐 $z=0$에 이르러 국지 Tully-Fisher 관계에 일치하는가?
• RQ2 운동학 지표 선택—$V_{\mathrm{circ}}$ 대비 $V_{\mathrm{rot,max}}$—가 TFR 내 S0 잔여물의 산란과 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반대 방향 병합 잔여물이 국지 S0에서 관측되는 역방향 회전 디스크의 운동학적 특성을 재현하는가?
• RQ4 고적색도 S0의 TFR과 국지 TFR 사이의 관측된 이격을 설명하기 위해 고립 상태에서의 수동적 진화가 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 S0 TFR의 관측된 산란은 초기 병합 잔여물의 다양성과 그 후의 진화로 설명 가능한가?

주요 결과

• 고적색도에서 $z\sim1.8-1.5$에 주요 병합이 발생하면, 그로 생긴 S0 잔여물은 $z\sim0.8$에 이르러 광학적 및 항성 TFR의 이질점이 되며, 고적색도 S0의 관측 결과와 일치한다.
• 약 7 Gyr의 수동적 진화를 거친 후, 이러한 잔여물들은 $M_K$–$V_{\mathrm{circ}}$, $\sigma_0$–$M_K$, $V_{\mathrm{circ}}$–$\sigma_0$ 평면에서 관측된 국지 S0와 겹치며 국지 TFR에 접근한다.
• $V_{\mathrm{circ}}$를 사용할 경우 $V_{\mathrm{rot,max}}$ 대비 TFR 내 산란이 감소하여 국지 S0 TFR과의 일치도가 향상된다.
• 반대 방향 병합 잔여물은 $V_{\mathrm{rot,max}}$–$\sigma_0$ 평면에서 국지 S0에서 관측되는 역방향 회전 디스크를 가진 천체와 겹쳐지며, 이러한 시스템의 병합 기원을 뒷받침한다.
• 수동적 진화 동안 약 7 Gyr 동안 $B$-대역에서 약 1.3 mag, $K$-대역에서 약 0.8 mag 감쇠하며, 이는 나선파악과 S0 TFR 사이의 관측된 이격과 일치한다.
• 보조 병합 잔여물은 초기에 국지 TFR에 가까이 있으며, 진화가 거의 없어 TFR 산란이나 이격에 기여하지는 않는다.