[논문 리뷰] Morphologies of ~190,000 Galaxies at z=0-10 Revealed with HST Legacy Data I. Size Evolution

Takatoshi Shibuya, Masami Ouchi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주망원경 유산 데이터를 사용하여 z=0에서 z=10까지 약 190,000개의 은하의 효과적 반경(r_e)의 진화를 분석한다. 일관된 형태 측정과 K보정, 선택 편향, 표면 brightness 흐림 보정을 적용하였다. r_e ∝ (1+z)^{-1.10±0.06}로 나타나며, 크기-광도 기울기나 세르시 지수(n≈1.5)의 유의미한 진화가 없고, z=0에서 z=8까지 r_e/r_vir ≈ 1.0–3.5%로 거의 일정하다. 이는 고적색도의 성간 은하에 디스크 유사한 별 성분이 존재함을 시사하며, j_d/m_d ≈ 0.5–1이다.

ABSTRACT

We present redshift evolution of galaxy effective radius r_e obtained from the HST samples of ~190,000 galaxies at z=0-10. Our HST samples consist of 176,152 photo-z galaxies at z=0-6 from the 3D-HST+CANDELS catalogue and 10,454 LBGs at z=4-10 identified in CANDELS, HUDF09/12, and HFF parallel fields, providing the largest data set to date for galaxy size evolution studies. We derive r_e with the same technique over the wide-redshift range of z=0-10, evaluating the optical-to-UV morphological K-correction and the selection bias of photo-z galaxies+LBGs as well as the cosmological surface brightness dimming effect. We find that r_e values at a given luminosity significantly decrease towards high-z, regardless of statistics choices. For star-forming galaxies, there is no evolution of the power-law slope of the size-luminosity relation and the median Sersic index (n~1.5). Moreover, the r_e-distribution is well represented by log-normal functions whose standard deviation σ_{\ln{r_e}} does not show significant evolution within the range of σ_{\ln{r_e}}~0.45-0.75. We calculate the stellar-to-halo size ratio from our r_e measurements and the dark-matter halo masses estimated from the abundance matching study, and obtain a nearly constant value of r_e/r_vir=1.0-3.5% at z=0-8. The combination of the r_e-distribution shape+standard deviation, the constant r_e/r_vir, and n~1.5 suggests a picture that typical high-z star-forming galaxies have disk-like stellar components in a sense of dynamics and morphology over cosmic time of z~0-6. If high-z star-forming galaxies are truly dominated by disks, the r_e/r_vir value and the disk formation model indicate that the specific angular momentum of the disk normalized by the host halo is j_d/m_d=0.5-1. These are statistical results for galaxies' major stellar components, and the detailed study of clumpy sub-components is presented in the paper II.

연구 동기 및 목표

• z=0–10 범위에서 고통계적 힘을 지닌 상태로 은하의 적색편이 진화에 따른 효과적 반경(r_e)을 측정하기 위해.
• 일관된 방식으로 사진적 적색편이 선택, K보정, 천체역학적 표면 brightness 흐림 등의 관측 편향을 보정하기 위해.
• 크기-광도 관계와 구조적 매개변수(예: 세르시 지수)가 적색편이에 따라 진화하는지 여부를 규명하기 위해.
• 은하 형성에서 각운동량 이행을 추론하기 위해 항성-은하형 반경 비율(r_e/r_vir)을 추정하기 위해.
• 고적색도 성간 은하가 디스크 유사 형태를 띠는가를 크기 및 구조 통계에 기반해 검증하는 가설을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 3D-HST+CANDELS의 176,152개 사진적 적색편이 은하와 CANDELS, HUDF09/12, HFF 영역의 10,454개 라이만 브레이크 은하(LBGs)를 조합하여 z=4–10 범위에서 분석한다.
• 전체 z=0–10 범위에서 동일한 기법(예: 세르시 프로파일)을 사용해 일관된 형태 피팅을 적용하여 r_e를 유도한다.
• 사진적 적색편이 및 LBG 샘플의 광학-자외 형태 보정 및 선택 편향을 보정한다.
• 크기 측정에서 천체역학적 표면 brightness 흐림을 고려한다.
• 다수 매칭 기법을 사용해 항성 질량에서 어둠운 물질 은하형의 비율 반경(r_vir)을 추정한다.
• r_e 분포를 로그정규 분포로 모델링하고, 그 너비(σ_ln(re))를 허브 스핀 매개변수(λ)의 분포와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하의 효과적 반경(r_e)은 z=0에서 z=10까지 적색편이에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ2 성간 은하의 크기-광도 관계와 세르시 지수(n)는 적색편이에 따라 진화하는가?
• RQ3 은하 크기 분포는 로그정규 함수로 잘 기술되는가, 그리고 그 너비(σ_ln(re))는 진화하는가?
• RQ4 항성-은하형 반경 비율(r_e/r_vir)은 무엇이며, 우주 시간에 따라 일정한가?
• RQ5 고적색도 은하의 구조적 및 역학적 성질은 그 형성 메커니즘에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 효과적 반경 r_e는 중앙 통계 기준으로 r_e ∝ (1+z)^{-1.10±0.06}로 진화하며, 고적색도로의 강한 크기 진화를 나타낸다.
• 크기-광도 관계의 멱법칙 기울기는 z ≈ 0에서 z ≈ 8까지 일정하게 유지되며 α = -0.27 ± 0.01로 유의미한 진화가 없다.
• 성간 은하의 세르시 지수는 거의 일정하게 n ≈ 1.5로 유지되며, 이는 디스크 유사 형태를 시사한다.
• r_e 분포는 로그정규 함수로 잘 기술되며, σ_ln(re) ≈ 0.45–0.75로 z=0에서 z=6까지의 진화가 유의미하지 않다.
• 항성-은하형 반경 비율 r_e/r_vir는 z=0에서 z=8까지 거의 일정하게 1.0–3.5%로 유지되며, 안정적인 구조 관계를 지지한다.
• 일정한 r_e/r_vir, 로그정규 r_e 분포, 그리고 낮은 n ≈ 1.5의 조합은 고적색도 성간 은하가 디스크 유사한 항성 성분을 지닌다는 것을 시사하며, j_d/m_d ≈ 0.5–1로 허브에서의 각운동량 이행이 상당히 중요하다.