[논문 리뷰] Ha Rotation Curves of z~1 Galaxies: Unraveling the Evolution of the Tully-Fisher Relation

M. Barden, M. D. Lehnert외 4명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 z≈1 은하에서 처음으로 공간적으로 해상도가 확보된 H𝛼 회전곡선을 제시하며, Tully-Fisher 관계에서 상당한 진화를 드러낸다. 고적도 샘플은 국소 은하와 비교해 고정된 B-대역 등급에서 ΔM ≈ -1.1 mag의 오프셋을 보이며, 중심 표면 밝기 증가와 회전 속도 감소로 인해 z≈0.9 이후 질량과 구조적 진화가 상당히 일어났음을 시사한다.

ABSTRACT

We describe the first results of a programme to obtain rotation curves of z~1 disc galaxies in the near-infrared using the Ha emission line in order to study the Tully-Fisher relation. To put any observed evolution into perspective and to investigate any possible selection biases, we constructed a control sample of low redshift galaxies that had rotation velocities and images available for measuring their dynamical, photometric, and morphological properties. Compared to local objects with isophotal sizes similar to the high redshift targets, we find that our sample of galaxies with spatially resolved rotation curves, the most distant sample so far (~0.9), clearly reveals a brightening of ~1.1 mag in the rest-frame B-band. The observed offset can be explained by a combination of increasing surface brightness, decreasing rotation speeds, and slightly smaller disc scale lengths of the high redshift galaxies.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 해상도가 확보된 회전곡선을 확보함으로써 고적도(z≈1)에서 Tully-Fisher 관계의 진화를 측정하고자 한다.
• 관측된 Tully-Fisher 관계의 오프셋이 본질적 진화인지 선택 효과인지를 조사하고자 한다.
• 고적도 디스크 은하를 국소 대조 샘플과 비교함으로써 질량, 크기, 운동학적 변화를 분리하고자 한다.
• 표면 밝기, 스케일 길이, 회전 속도가 관측된 Tully-Fisher 관계 오프셋을 어떻게 이끌어내는지 평가하고자 한다.
• 계층적 융합과 다크 물질 구조 형성 기반의 은하 진화 모델 테스트를 위한 고적도 기준선을 제공하고자 한다.

제안 방법

• VLT/ISAAC 장비를 사용해 near-infrared H𝛼 장선 스펙트럼을 확보하여 z≈1 디스크 은하의 공간적으로 해상도가 확보된 회전곡선을 측정하였다.
• z>0.6, 고경사도(⟨i⟩≈60°), 지수형 빛 분포를 가진 은하를 선별하여 디스크 형태를 보장하였다.
• 유사한 등등고 크기, 광학적 및 형태학적 특성을 가진 저적도 은하의 국소 대조 샘플을 구성하였다.
• 표면 밝기와 스케일 길이가 등급 오프셋에 미치는 영향을 정량화하기 위해 관계식 M_d ∝ -5 log R_d - 2.5 log(1+z) + μ₀ - const 를 사용하였다.
• 고적도 및 국소 샘플 간의 회전 속도와 동역적 질량을 비교하였으며, 질량 ∝ v_rot² 가 2.2 스케일 길이까지 성립한다고 가정하였다.
• 표면 밝기 및 디스크 스케일 길이의 평균 차이를 보정하여 Tully-Fisher의 제로포인트 오프셋을 추출하고, 운동학적 진화를 분리하고자 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈0.9에서 z=0 사이에 Tully-Fisher 관계는 어떻게 진화하는가? 관측된 오프셋을 이끄는 요인은 무엇인가?
• RQ2 중심 표면 밝기와 디스크 스케일 길이의 변화가 Tully-Fisher 관계의 관측된 오프셋에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 z≈1 디스크 은하의 회전 속도는 유사한 크기의 국소 은하와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 진화는 계층적 은하 형성 모델과 우주론적 파rameter와 일치하는가?
• RQ5 공간 해상도와 샘플 크기의 제약 조건을 감안할 때, 고적도에서 Tully-Fisher 관계의 기울기를 의미 있게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 고적도 샘플은 국소 대조 샘플에 비해 고정 B-대역 등급에서 ΔM ≈ -1.1 ± 0.5 mag의 오프셋을 보이며, z≈0.9 이후 상당한 밝아짐이 있었음을 시사한다.
• 이 오프셋은 주로 중심 표면 밝기가 1.7 mag arcsec⁻² 증가하고, 디스크 스케일 길이가 30% 감소한 데 기인한다.
• z≈1 은하의 평균 회전 속도는 유사한 크기의 국소 은하보다 50 ± 15 km s⁻¹ 느리며, 이는 z≈0.9 이후 질량이 약 2.6 ± 0.4 배 증가했음을 암시한다.
• 표면 밝기 및 스케일 길이의 차이를 보정한 후 Tully-Fisher 관계의 제로포인트 오프셋은 -0.3 ± 0.4 mag이며, 나머지 오프셋은 회전 속도 감소로 설명된다.
• 이전에 저적도(⟨z⟩≈0.4–0.5)에서 수행된 연구와는 일치하지 않으며, 오프셋이 적도가 증가함에 따라 커짐을 시사하여 약 2–3 Gyr 동안 강한 진화가 있었음을 나타낸다.
• 결과는 우주론적 시뮬레이션과 광범위하게 일치하며, z=1에서 z=0으로 갈수록 B-대역 밝기가 약 1.15 mag 증가하고 특성 질량이 약 2.4 배 감소하는 것을 예측한다.