[논문 리뷰] Star formation histories of massive red spiral galaxies in the local universe

Shuang Zhou, Cheng Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 97인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 MaNGA 적층 스펙트로스코피를 활용해 거대한 빨간 나선파리성 은하(M∗ > 10^10.5 M⊙)의 공간적으로 해상도가 높은 별 형성 역사(SFHs)를 재구성하기 위해 베이지안 스펙트럼 피팅(BIGS)을 사용한다. 그 결과, 이 은하들은 우주의 시간으로부터 60억 년 이내에 전체 별 질량의 90퍼센트 이상을 형성했으며, 이는 거대한 빨간 타원은하와 유사하다. 결과는 빨간 나선파리성 은하와 빨간 타원은하가 공통된 빠른 초기 형성 및 억제 역사를 공유하고 있음을 시사하며, 이는 파란 나선파리성 은하의 지속적이고 확장된 별 형성과는 극명히 대비된다.

ABSTRACT

We investigate the star formation histories (SFHs) of massive red spiral galaxies with stellar mass $M_\ast>10^{10.5}M_\odot$, and make comparisons with blue spirals and red ellipticals of similar masses. We make use of the integral field spectroscopy from the SDSS-IV/DR15 MaNGA sample, and estimate spatially resolved SFHs and stellar population properties of each galaxy by applying a Bayesian spectral fitting code to the MaNGA spectra. We find that both red spirals and red ellipticals have experienced only one major star formation episode at early times, and the result is independent of the adopted SFH model. On average, more than half of their stellar masses were formed $>$10 Gyrs ago, and more than 90\% were formed $>6$ Gyrs ago. The two types of galaxies show similarly flat profiles in a variety of stellar population parameters: old stellar ages indicated by $D4000$ (the spectral break at around 4000\AA), high stellar metallicities, large Mgb/Fe ratios indicating fast formation, and little stellar dust attenuation. In contrast, although blue spirals also formed their central regions $>$10 Gyrs ago, both their central regions and outer disks continuously form stars over a long timescale. Our results imply that, massive red spirals are likely to share some common processes of formation (and possibly quenching) with massive red ellipticals in the sense that both types were formed at $z > 2$ through a fast formation process.Possible mechanisms for the formation and quenching of massive red spirals are discussed.

연구 동기 및 목표

• 지역 우주 내 거대한 빨간 나선파리성 은하의 별 형성 역사를 조사하기 위해.
• 유사한 별 질량을 가진 빨간 나선파리성 은하, 파란 나선파리성 은하 및 빨간 타원은하의 SFHs를 비교하기 위해.
• 거대한 빨간 나선파리성 은하가 파란 나선파리성 은하에서 진화했는지, 또는 빨간 타원은하와 유사한 과정을 통해 형성되었는지 판단하기 위해.
• 다양한 모형 형태를 사용한 베이지안 스펙트럼 피팅을 통해 SFH 제약 조건의 탄력성 평가하기 위해.
• 해상도가 높은 스펙트럼을 사용해 개별 은하의 별 집단 성질에 대한 공간적 변동성 검토하기 위해.

제안 방법

• MaNGA 적층 스펙트로스코피의 전체 스펙트럼 피팅에 베이지안 추론을 통한 은하 스펙트럼(BIGS) 코드를 적용하였다.
• 은하 스펙트럼을 다섯 개의 반경 영역으로 나누어 신호 대 잡음 비율을 향상시키기 위해 스택 처리하였다.
• 세 가지 SFH 모형 형태(Γ, Γ+B, 단계적)를 사용해 모형의 탄력성 테스트를 수행하였다.
• 베이지안 모형 선택을 통해 모형 성능를 비교하고 최적의 SFH를 식별하였다.
• 유도된 SFH와 D4000, Hα 발광, Mgb/Fe 비율 등의 스펙트럼 특징 간 일관성 여부를 검토하였다.
• 억제된 시스템과 잔류 별 형성 시스템을 구분하기 위해 광학적(u−r, r−i) 및 적외-광학적(NUV−r) 색 조건을 모두 사용해 은하를 선별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대한 빨간 나선파리성 은하의 별 형성 역사는 거대한 빨간 타원은하와 유사한가, 아니면 파란 나선파리성 은하와 유사한가?
• RQ2 거대한 빨간 나선파리성 은하의 별 형성 역사는 파란 나선파리성 은하에서의 진화와 일치하는가?
• RQ3 조기의 빠른 별 형성과 억제가 거대한 빨간 나선파리성 은하의 별 집단 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 가정된 SFH 모형의 변화에 대해 유도된 SFH는 얼마나 탄력적인가?
• RQ5 D4000 및 Hα 발광과 같은 스펙트럼 특징은 억제 상태와 별 형성의 공간 분포에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• 거대한 빨간 나선파리성 은하와 빨간 타원은하 모두 전체 별 질량의 50퍼센트 이상을 100억 년 이상 전에 형성했으며, 60억 년 이내에 90퍼센트 이상을 형성했으며, 이는 공통된 초기 빠른 형성 단계를 시사한다.
• 빨간 나선파리성 은하와 빨간 타원은하의 최적 피팅 SFH는 모두 단일 Γ 모형으로 잘 설명되며, 이는 한 번의 주요 별 형성 사건을 의미한다. 반면, 파란 나선파리성 은하는 더 복잡한 모형이 필요하다.
• NUV로 선별된 빨간 나선파리성 은하는 잔류 별 형성을 보이지 않으며, 높은 D4000과 약한 또는 없는 Hα 발광을 보여 전체 은하에서 완전한 억제 상태임을 시사한다.
• 광학적으로 선별된 빨간 나선파리성 은하는 낮은 D4000와 외곽 영역에서 감지 가능한 Hα를 보이며, 디스크 영역에서 지속적이거나 최근의 별 형성이 이루어지고 있음을 시사한다.
• 빨간 나선파리성 은하와 타원은하에서의 높은 Mgb/Fe 비율은 빠르고 조기의 형성을 확인하며, 파란 나선파리성 은하의 낮은 값은 장기적인 별 형성을 의미한다.
• 거대한 빨간 나선파리성 은하의 SFH는 파란 나선파리성 은하와 근본적으로 다르며, 이는 이들 사이에 단순한 진화적 연관성이 없음을 배제한다.