[논문 리뷰] Systematic effects on the size-luminosity relation: dependence on model fitting and morphology

Mariangela Bernardi, A. Meert외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 26.

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한 줄 요약

이 연구는 모델 피팅 선택과 형상에 기인한 조기 및 말기형 은하의 크기-광도(R-L) 관계에 대한 체계적 편향을 조사한다. SDSS r-대역 이미지에 Sersic 및 SerExp(Sersic+지수) 프로파일을 피팅하여, 단일-Sersic 피팅은 반광도 반경을 과대평가하는 경향이 있으며, 특히 높은 Sersic 지수 n과 B/T ≈ 0.6일 경우 두드러진다. 반면 SerExp 모델은 R-L 관계에 곡률을 드러내며, 두 가지 주요 질량 척도 ~3×10¹⁰ M⊙ 및 ~2×10¹¹ M⊙를 시사한다. 부두 지배 은하에서는 거의 선형적인 R-L 스케일링을 보이고, 디스크는 강한 곡률을 보인다.

ABSTRACT

We quantify the systematics in the size-luminosity relation of galaxies in the SDSS main sample which arise from fitting different 1- and 2-component model profiles to the images. In objects brighter than L*, fitting a single Sersic profile to what is really a two-component SerExp system leads to biases: the half-light radius is increasingly overestimated as n of the fitted single component increases; it is also overestimated at B/T ~ 0.6. However, the net effect on the R-L relation is small, except for the most luminous tail, where it curves upwards towards larger sizes. We also study how this relation depends on morphological type. Our analysis is one of the first to use Bayesian-classifier derived weights, rather than hard cuts, to define morphology. Crudely, there appear to be only two relations: one for early-types (Es, S0s and Sa's) and another for late-types (Sbs and Scds). However, closer inspection shows that within the early-type sample S0s tend to be 15% smaller than Es of the same luminosity, and, among faint late types, Sbs are more than 25% smaller than Scds. Neither the early- nor the late-type relations are pure power-laws: both show significant curvature, which we quantify. However, the R-L relations of the bulges of early-types are almost pure power laws. Our analysis confirms that two mass scales are special for early-type galaxies: M* = 3e10 and 2e11 Msun. These same mass scales are also special for late types: there is almost no correlation between R and M* below the former, and almost no late-types above the latter. We also show that the intrinsic scatter around the relation decreases at large luminosity and/or stellar mass; this should provide additional constraints on models of how the most massive galaxies formed.

연구 동기 및 목표

• 단일-Sersic 및 이중성분(SerExp) 광도 프로파일 피팅에 기인한 은하의 크기-광도(R-L) 관계에서 발생하는 체계적 편향을 정량화하는 것.
• 경계값을 사용한 딱정형 분류가 아니라 베이지안 분류기로 유도된 가중치를 사용한 형상 분류가 R-L 관계에 미치는 영향을 평가하는 것.
• R-L 관계가 순수한 거듭제곱 법칙인지, 아니면 그러한 곡률을 통해 별개의 물리적 질량 척도가 드러나는지 확인하는 것.
• 내재 산란이 광도 및 항성 질량에 따라 어떻게 달라지는지 분석하고, 은하 형성 모델에 대한 함의를 규명하는 것.

제안 방법

• SDSS 메인 샘플에서 z ~ 0.1의 은하 r-대역 이미지에 대해 PyMorph 소프트웨어를 사용해 Sersic 및 SerExp(Sersic + 지수) 프로파일을 피팅한다.
• 경계값을 사용한 딱정형 분류가 아니라, 베이지안 분류기로 유도된 가중치를 사용해 형상 유형을 정의한다.
• 조기형(은하형, S0형, Sa형), 말기형(Sb형, Sd형) 및 그들의 개별 구성요소(부두 및 디스크)에 대해 R-L 및 R-M* 관계를 분석한다.
• 통계적 피팅과 관계의 시각적 점검을 통해 곡률이 변화하는 질량 척도를 규명하고, R-L 관계의 곡률을 정량화한다.
• 모델 가정에 기인한 편향을 분리하기 위해 단일-Sersic 및 SerExp 피팅 결과를 비교한다.
• 은하 형성 모델에 대한 제약 조건을 평가하기 위해 내재 산란을 광도 및 항성 질량의 함수로 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일-Sersic 및 SerExp 모델 피팅이 크기-광도 관계에서 유도된 반광도 반경에 어떤 편향을 초래하는가?
• RQ2 형상 분류 방법(베이지안 가중치 대비 경계값)이 R-L 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 조기형 및 말기형 은하의 R-L 관계는 순수한 거듭제곱 법칙인가, 아니면 별개의 물리적 질량 척도를 시사하는 곡률을 보이는가?
• RQ4 디스크 지배 및 부두 지배 은하에서 부두 및 디스크의 R-L 관계는 어떻게 다른가?
• RQ5 R-L 관계의 내재 산란은 광도 또는 항성 질량이 증가함에 따라 감소하는가, 그리고 이는 은하 형성 모델에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 단일-Sersic 피팅은 이중성분(SerExp) 시스템을 피팅할 경우 반광도 반경을 과대평가하며, 특히 높은 Sersic 지수 n과 B/T ≈ 0.6일 경우 심각한 편향을 유발한다.
• 조기형 은하의 R-L 관계는 순수한 거듭제곱 법칙이 아니며 곡률을 보이며, 두 가지 명백한 질량 척도를 나타낸다: ~3×10¹⁰ M⊙(최대 밀도), ~2×10¹¹ M⊙(건조합성 우주에서의 지배적 우주론적 영향 시작점).
• 부두 지배 시스템은 거의 선형적인 R-L 관계(R ∝ L⁰.⁸⁵)를 보이고, 말기형 은하의 디스크는 강한 곡률을 보이며 저질량 영역에서는 R-L 상관관계가 약하다.
• 디스크의 R-L 관계는 말기형 은하의 총광도 관계와 평행하지만 약 ~0.1 dex 상향으로 오프셋되어 있어, 다른 구조적 스케일링을 시사한다.
• R-L 관계의 내재 산란은 광도 및 항성 질량이 증가함에 따라 감소하며, 특히 거대 은하에서 두드러지게 나타나 형성 모델에 대한 더 강력한 제약 조건을 시사한다.
• 고정된 부두 광도 및 속도 분산에서 R_bulge ∝ L_bulge / σ의 스케일링 관계를 보이지만, 이는 비르발 정리로는 완전히 설명되지 않아 천체역학적 스케일링에서 여전히 열린 질문이다.