[논문 리뷰] GEMS: The Size Evolution of Disk Galaxies

M. Barden, Hans-Walter Rix외 15명|arXiv (Cornell University)|2005. 02. 21.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 142

한 줄 요약

이 연구는 GEMS 조사에서의 허블 우주망원경 영상 및 광도 적색편이를 사용하여 z ≈ 1 이후 디스크은하의 크기 진화를 분석한다. 밝기–크기 관계에서 강한 진화가 나타나며(휴대형 V-대역에서 약 ~1 mag arcsec⁻² 어두워짐), 그러나 log(M/M☉) ≳ 10인 은하에 대해서는 별질량–크기 관계에서 유의미한 진화가 없음을 발견하여, 단순 모델이 예측한 허브성질반경에 따라 크기가 변화하는 것보다는 내부에서부터 성장하는 디스크 성장 방식을 지지한다.

ABSTRACT

We combine HST imaging from the GEMS survey with photometric redshifts from COMBO-17 to explore the evolution of disk-dominated galaxies since z<1.1. The sample is comprised of all GEMS galaxies with Sersic indices n<2.5, derived from fits to the galaxy images. We account fully for selection effects through careful analysis of image simulations; we are limited by the depth of the redshift and HST data to the study of galaxies with absolute magnitudes M(V)10. We find strong evolution in the magnitude-size scaling relation for galaxies with M(V)10 over the same time interval. This is strongly inconsistent with the most naive theoretical expectation, in which disk size scales in proportion to the halo virial radius, which would predict that disks are a factor of two denser at fixed mass at z=1. The lack of evolution in the stellar mass-size relation is consistent with an ``inside-out'' growth of galaxy disks on average (galaxies increasing in size as they grow more massive), although we cannot rule out more complex evolutionary scenarios.

연구 동기 및 목표

• 최근 8 Gyr 동안(지수 z ≈ 1에서 z ≈ 0까지) 디스크은하의 스케일링 관계, 특히 밝기–크기 관계와 별질량–크기 관계의 진화를 조사하기 위해.
• GEMS 조사에서 얻은 세르시 지수 n < 2.5인 대규모이고 잘 정의된 디스크 지배 은하 샘플을 사용하여 이전 연구에서의 모순된 결과를 해결하기 위해.
• 이미지 시뮬레이션과 적색편이에 따라 달라지는 표면 밝기 보정을 통해 선택 효과와 완전성 한계를 고려하기 위해.
• 냉각된 어둠료 물질 모델의 예측을 테스트하기 위해, 디스크 크기가 허브성질반경에 비례해야 하며, z ≈ 1에서 질량이 일정할 경우 크기가 약 두 배 감소해야 한다는 점을 검토하기 위해.

제안 방법

• 샘플은 GEMS 조사에서 세르시 지수 n < 2.5인 약 5,700개의 디스크 지배 은하로 구성되며, 이미지 피팅을 통해 디스크 형태를 식별하였다.
• COMBO-17 조사에서의 광도 적색편이를 사용하여 적색편이와 휴대형 magnitude를 결정하였으며, 색상 항목과 K보정의 정교한 校정을 수행하였다.
• 감지 완전성과 선택 효과를 모델링하기 위해 이미지 시뮬레이션을 사용하였으며, 특히 표면 밝기 및 magnitude 한계에서의 영향을 보정하였다.
• 우주론적 어둠침을 고려하여, 휴대형 V-대역 표면 밝기와 별질량-광도 비율을 다음 식을 통해 유도하였다: μ_V^50% = m_z^app,50% + [m_V^rest - m_z] - 10 log(1+z).
• 적색편이 구간에 따라 평균 표면 밝기 〈μ_V(z)〉와 평균 별질량 표면 밀도 〈log Σ_M(z)〉를 계산하였으며, magnitude 및 적색편이에 따라 달라지는 완전성 보정을 적용하였다.
• 절대적 이동이 magnitude–size 평면 기울기에 의해 유도되는 상대적 경향이 안정함을 확인하기 위해 magnitude 및 질량 한계를 다양하게 조정하여 결과의 강인성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 1에서 현재까지 디스크은하의 밝기–크기 관계는 어떻게 진화했는가?
• RQ2 최근 8 Gyr 동안 log(M/M☉) ≳ 10인 디스크은하에 대해 질량–크기 관계에서 측정 가능한 진화가 있는가?
• RQ3 선택 효과와 완전성 한계가 고적색편이 디스크은하의 표면 밝기 및 크기 진화 추정치에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 진화 결과가 CDM 모델에서 예측한 바와 같이 디스크 크기가 허브성질반경에 비례해야 한다는 예측과 모순되는가?
• RQ5 질량–크기 관계의 진화가 없음을 고려할 때, 이는 디스크 성장의 물리적 메커니즘이 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 밝기–크기 관계는 강한 진화를 보이며, 휴대형 V-대역 표면 밝기가 z ≈ 1에서 z ≈ 0으로 갈수록 약 1 mag arcsec⁻² 어두워졌음을 나타내어, 고적색편이에서 디스크가 훨씬 더 조밀하게 존재했음을 시사한다.
• 이러한 표면 밝기 진화에도 불구하고, log(M/M☉) ≳ 10인 은하에 대해서는 별질량–크기 관계에서 유의미한 진화가 없음을 발견하여, 디스크가 질량이 증가함에 따라 크기가 함께 증가함을 시사한다.
• z ≈ 1의 디스크는 지역 대비 더 파란색이며, 별질량-광도 비율도 낮아, 지속적인 항성 형성과 물리적 성질의 진화를 나타낸다.
• 질량–크기 관계의 진화가 없음은 단순 CDM 예측과 모순되며, 이는 z ≈ 1에서 허브성질반경이 작아져 디스크가 더 조밀해야 한다는 예측을 반영하지 못한다.
• 결과는 내부에서부터 성장하는 모델과 일치하며, 디스크는 시간이 지남에 따라 질량이 증가하면서 크기가 커지며 성장함을 시사하지만, 더 복잡한 진화 시나리오도 배제할 수 없다.
• 결과는 magnitude 및 질량 한계의 변화에 대해 강인하며, magnitude의 동적 범위가 유지되는 한 상대적 경향은 안정적임을 확인하였고, 시뮬레이션 기반 완전성 보정을 통해 선택 효과가 잘 제어됨을 확인하였다.