[논문 리뷰] KAOSS: turbulent, but disc-like kinematics in dust-obscured star-forming galaxies at $z\sim$1.3-2.6

Jack E. Birkin, Annagrazia Puglisi외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 VLT/KMOS 통합장역광분광법을 사용하여 z ~ 1.3–2.6에서 31개의 먼지로 가림을 받는 성간은은하(DSFGs)의 공간적으로 해상도가 높은 Hα 운동학을 제시한다. 그 결과, 25개는 중력적 회전으로 지배되는 난류가 있는 디스크로 가장 잘 기술되며, 중앙값 v_rot = 190 ± 30 km s⁻¹ 및 σ₀ = 87 ± 6 km s⁻¹를 보인다. 높은 난류에도 불구하고 v_rot/σ₀ 비율 2.4 ± 0.5는 회전으로 지배되는 것을 시사하며, 항성 터리-파이어 관계는 z ~ 2에서 z ~ 0까지 변화가 없다.

ABSTRACT

We present spatially resolved kinematics of 27 ALMA-identified dust-obscured star-forming galaxies (DSFGs) at $z\sim$1.3-2.6, as traced by H$α$ emission using VLT/KMOS near-infrared integral field spectroscopy from the "KMOS-ALMA Observations of Submillimetre Sources" (KAOSS) Large Programme. We derive H$α$ rotation curves and velocity dispersion profiles for the DSFGs, and find that among the 27 sources with bright, spatially extended H$α$ emission, 24 display evidence for disc-like kinematics. We measure a median inclination-corrected velocity at 2.2$R_{ m d}$ of $v_{ m rot}=$190$\pm$40kms$^{-1}$ and intrinsic velocity dispersion of $σ_0=$87$\pm$6kms$^{-1}$ for these disc-like sources. The kinematics yield median circular velocities of $v_{ m circ}=$230$\pm$20kms$^{-1}$ and dynamical masses within 2$R_{ m e}$ ($\sim$7kpc radius) of $M_{ m dyn}=$(1.1$\pm$0.2)$ imes$10$^{11}$M$_\odot$. Compared to less actively star-forming galaxies, KAOSS DSFGs are both faster rotating with higher intrinsic velocity dispersions, but have similar $v_{ m rot}/σ_0$ ratios, median $v/σ_0=$2.5$\pm$0.5. We suggest that the kinematics of the DSFGs are primarily rotation supported but with a non-negligible contribution from pressure support, which may be driven by star formation or mergers/interactions. We estimate the normalisation of the stellar mass Tully-Fisher relation (sTFR) for the disc-like DSFGs and compare it with local studies, finding no evolution at fixed slope between $z\sim$2 and $z\sim$0. Finally, we show that the kinematic properties of the DSFG population are consistent with them evolving into massive early-type galaxies, the dominant $z\sim$0 population at these masses.

연구 동기 및 목표

• z ~ 1.3–2.6에서 먼지로 가림을 받는 성간은은하(DSFGs)의 공간적으로 해상도가 높은 Hα 방출선 운동학을 해명하기 위해.
• DSFGs가 회전으로 지배되는 디스크인지, 또는 합체로 인한 난류적 시스템인지 판단하기 위해.
• 항성 터리-파이어 관계(sTFR)의 정규화 및 z ~ 2에서 z ~ 0까지의 진화를 측정하기 위해.
• 고적색도 DSFGs에서 헬름의 질량과 항성-헬름 질량 관계를 추정하기 위해.
• 피드백과 충격加열이 거대한 환경에서 항성 질량을 조절하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 31개의 ALMA로 특정된 DSFGs에 대해 VLT/KMOS 적외선 통합장역광분광법을 사용하여 공간적으로 해상도가 높은 Hα 방출선 운동학을 확보하였다.
• 기울기 보정된 회전 속도 v_rot를 도출하기 위해, 2.2 R_d에서 프리먼 디스크 모델을 사용하여 회전곡선을 피팅하였다.
• Johnson 등(2018)의 빔 스메어링 보정을 적용하여 관측된 속도 분산에서 진정된 속도 분산 σ₀를 유도하였다.
• 측정된 v_rot와 항성 질량 M_*를 사용하여 항성 터리-파이어 관계(sTFR)를 구성하였으며, 고정된 기울기에서의 제로포인트를 피팅하였다.
• 2 R_e 이내의 역학적 질량 M_dyn을 추정하고, 항성 및 기체 질량 추정치를 사용하여 바리온-역학 질량 비율을 유도하였다.
• DSFGs의 위치를 항성-헬름 질량 관계에 맵핑하여 피드백 및 가열 메커니즘을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ~ 1.3–2.6에서 먼지로 가림을 받는 성간은은하(DSFGs)는 회전으로 지배되는 디스크와 일치하는 운동학을 보이며, 또는 합체로 인한 난류적 시스템과 일치하는가?
• RQ2 유사한 적색도에서 더 활발하게 별이 형성되지 않는 은하들과 비교해, DSFGs의 회전 속도 v_rot와 진정된 속도 분산 σ₀는 어떻게 다른가?
• RQ3 항성 터리-파이어 관계(sTFR)의 정규화는 z ~ 2에서 z ~ 0까지 진화하는가? 이는 은하의 질량 성장에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 고적색도 DSFGs의 거대한 환경에서 피드백과 충격加열이 항성 구성 요소를 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 고적색도 시스템에서 바리온 질량은 항성 구성 요소를 초월해 어느 정도 분포되어 있는가?

주요 결과

• 31개의 DSFGs 중 25개(81%)는 프리먼 디스크 모델에 잘 맞는 회전곡선을 보이며, 이는 디스크 유사한 운동학을 의미한다.
• 2.2 R_d에서 기울기 보정된 중앙값 회전 속도는 v_rot = 190 ± 30 km s⁻¹이며, 중앙값 진정된 속도 분산은 σ₀ = 87 ± 6 km s⁻¹이다.
• 중앙값 v_rot/σ₀ 비율은 2.4 ± 0.5로, DSFGs는 높은 난류를 보이지만 약 50%의 경우에서 여전히 회전으로 지배됨을 시사한다.
• 디스크 유사한 DSFGs의 항성 터리-파이어 관계(sTFR)는 z ~ 2에서 z ~ 0까지 정규화에 변화가 없으며, v_rot = 100 km s⁻¹에서 최적의 제로포인트는 log₁₀(M_*/M☉) = 9.97 ± 0.09이다.
• 2 R_e 이내의 중앙값 역학적 질량은 M_dyn = (1.6 ± 0.3) × 10¹¹ M☉이며, 중앙값 항성-역학 질량 비율은 M_*/M_dyn = 0.94 ± 0.15이다.
• 4 R_e 이내의 중앙값 바리온-역학 질량 비율은 M_bar/M_dyn = 0.36 ± 0.04이며, 이는 대부분의 바리온 질량이 항성 구성 요소 외부에 존재함을 시사한다.