[논문 리뷰] Scaling relations and baryonic cycling in local star-forming galaxies

C. Tortora, L. K. Hunt외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 192인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 항성 질량, 항성 형성률, 가스 질량에서 5개 온도의 범위를 포함하는 392개의 국지적 성간 은하로 구성된 MAGMA 샘플을 소개하며, 금속성에서는 약 2디엑스의 범위를 보인다. 다차원 주성분 분석(PCA)을 통해 금속성(12+log(O/H))이 주로 항성 질량과 항성 형성률에 의해 결정되며, 가스 함량(Mgas, MH2)이 보조적이나 필수적인 역할을 한다고 밝히며, 예측 정확도는 약 0.1 dex에 이른다.

ABSTRACT

Assessments of the cold-gas reservoir in galaxies are a cornerstone for understanding star-formation processes and the role of feedback and baryonic cycling in galaxy evolution. Here we exploit a sample of 392 galaxies (dubbed MAGMA, Metallicity and Gas for Mass Assembly), presented in a recent paper, to quantify molecular and atomic gas properties across a broad range in stellar mass, Mstar, from ∼107 − 1011 M⊙. First, we find the metallicity (Z) dependence of the conversion factor for CO luminosity to molecular H2 mass αCO to be shallower than previous estimates, with αCO ∝ (Z/Z⊙)−1.55. Second, molecular gas mass MH2 is found to be strongly correlated with Mstar and star-formation rate (SFR), enabling predictions of MH2 good to within ∼0.2 dex; analogous relations for atomic gas mass MHI and total gas mass Mgas are less accurate, ∼0.4 dex and ∼0.3 dex, respectively. Indeed, the behavior of atomic gas mass MHI in MAGMA scaling relations suggests that it may be a third, independent variable that encapsulates information about the circumgalactic environment and gas accretion. If Mgas is considered to depend on MHI, together with Mstar and SFR, we obtain a relation that predicts Mgas to within ∼0.05 dex. Finally, the analysis of depletion times and the scaling of MHI/Mstar and MH2/Mstar over three different mass bins suggests that the partition of gas and the regulation of star formation through gas content depends on the mass regime. Dwarf galaxies (Mstar ≲ 3 × 109 M⊙) tend to be overwhelmed by (H <ns0:sc>I</ns0:sc>) accretion, and despite short τH2 (and thus presumably high star-formation efficiency), star formation is unable to keep up with the gas supply. For galaxies in the intermediate Mstar “gas-equilibrium” bin (3 × 109 M⊙ ≲ Mstar ≲3 × 1010 M⊙), star formation proceeds apace with gas availability, and H <ns0:sc>I</ns0:sc> and H2 are both proportional to SFR. In the most massive “gas-poor, bimodality” regime (Mstar ≳ 3 × 1010 M⊙), H <ns0:sc>I</ns0:sc> does not apparently participate in star formation, although it generally dominates in mass over H2. Our results confirm that atomic gas plays a key role in baryonic cycling, and is a fundamental ingredient for current and future star formation, especially in dwarf galaxies.

연구 동기 및 목표

• 은하 진화에서 가스 함량, 항성 형성, 금속성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 이전에 이러한 연구에서 다루지 못한 저질량 은하로까지 스케일링 관계를 확장하기 위해.
• 우주론적 시뮬레이션과 고적색도 진화 보정을 위한 기준 샘플을 수립하기 위해.
• 고급 PCA 기법을 사용하여 Mstar–SFR–Z–Mgas 매개변수 공간의 차원성을 평가하기 위해.
• 저질량 은하에서의 샘플 구성과 노이즈 편향을 고려함으로써 PCA 결과의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• Mstar, SFR, MHI, MH2, 및 12+log(O/H)의 동시 측정치를 갖춘 392개의 국지적 성간 은하로 구성된 균일한 샘플을 편성하였다.
• 모든 하위샘플 간 일관성을 확보하기 위해 IRAC, WISE, GALEX 광도를 사용하여 Mstar와 SFR을 재계산하였다.
• 통일성을 확보하기 위해 모든 금속성 측정치를 PP04N2 보정법으로 변환하였다.
• Mstar–SFR–Z–Mgas 매개변수 공간의 본질적 차원성을 평가하기 위해 4차원 및 조각별 3차원 주성분 분석(PCA)을 적용하였다.
• 인위적 흐름에 의한 노이즈 유도 편향을 피하기 위해 표본 교체를 사용한 확률적 및 부트스트랩 PCA를 사용하였다.
• 노이즈 제어가 가능한 몽타주 데이터를 사용하여 결과의 신뢰성과 매개변수 불확실성을 평가함으로써 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국지적 성간 은하에서 Mstar–SFR–Z–Mgas 매개변수 공간의 진정한 차원성은 무엇인가?
• RQ2 저질량 별성은하를 포함한 광범위한 항성 질량 범위에서 금속성과 가스 함량은 어떻게 상관관계를 가지는가?
• RQ3 원자성 가스와 분자성 가스를 모두 포함할 경우 기본 금속성 관계(FMR)는 유지되는가? 그리고 SFR 기반 FMR과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 샘플 구성, 특히 저질량 은하와 고적색도 시스템의 포함 여부에 따라 PCA 결과는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 Mstar와 SFR에 대한 주된 영향 외에, 가스 함량(Mgas, MH2)은 금속성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• Mstar–SFR–Z–Mgas 매개변수 공간는 이중 차원 초표면으로 잘 기술되며, 금속성을 예측하기 위해 단지 두 개의 변수만 필요하다는 것을 확인하였다.
• Mstar–Z 관계의 곡률을 고려한 조각별 3차원 PCA를 사용하여 금속성(12+log(O/H))을 약 0.1 dex의 정확도로 예측할 수 있었다.
• 항성 형성률(SFR)이 원자성(MHI) 또는 분자성(MH2) 가스 질량보다 금속성에 더 강한 영향을 미친다는 것이 밝혀졌으며, 이는 이전에 가스 함량이 주요 원인으로 여겨졌던 가정과 정면으로 배치된다.
• 저질량 은하(Mstar ≤ 10^9.3 M⊙)의 포함은 특히 MZR 산란도의 정교함과 대표성을 향상시켜, 스케일링 관계의 신뢰성을 높였다.
• PCA 결과는 샘플 구성에 민감하게 반응한다: 고적색도 은하(z ~ 2 등)를 포함할 경우 SFR과 Mgas 항목의 상대적 중요도가 왜곡되며, 이는 국지 기준이 필요함을 시사한다.
• 본 연구는 PCA에 인위적 노이즈를 주입할 경우 외곽치 민감도와 더 넓은 매개변수 공간 커버리지로 인해 결과가 왜곡될 수 있음을 입증하였으며, 이에 따라 부트스트랩 및 확률적 PCA의 사용을 권장한다.