[논문 리뷰] The KMOS Deep Survey (KDS) II: The evolution of the stellar-mass Tully-Fisher relation since z ~ 4

O. J. Turner, C. M. Harrison외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 z ≈ 4부터의 별질량 Tully-Fisher 관계의 진화에 대한 모순을 해결하기 위해 압력 보정 총속도 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $ 를 도입함으로써 회전과 속도분산에 의해 지배되는 은하들을 통합한다. $ z \geq 1 $ 에서 국소 관계 대비 일관된 $+0.12$ dex의 총속도 기준점 오프셋을 발견하여, 우주 시간에 따라 별질량 대 동역학질량 비율이 점진적으로 감소하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We use KMOS Deep Survey (KDS) galaxies, combined with results from a range of spectroscopic studies in the literature, to investigate the evolution of the stellar-mass Tully-Fisher relation since z ~ 4. We determine the slope and normalisation of the local rotation-velocity -- stellar-mass (Vc - $M_{\star}$) relationship using a reference sample of local spiral galaxies; thereafter we fix the slope, and focus on the evolution of velocity normalisation with redshift. The rotation-dominated KDS galaxies at z ~ 3.5 have rotation velocities ~ -0.1 dex lower than local reference galaxies at fixed stellar mass. By fitting 16 distant comparison samples spanning 0 < z < 3 (containing ~ 1200 galaxies), we show that the size and sign of the inferred Vc offset depends sensitively on the fraction of the parent samples used in the Tully-Fisher analysis, and how strictly the criterion of 'rotation dominated' is enforced. Confining attention to subsamples of galaxies that are especially 'disky' results in a consistent positive offset in Vc of ~ +0.1 dex, however these galaxies are not representative of the evolving-disk population at z > 1. We investigate the addition of pressure support, traced by intrinsic velocity dispersion ($σ_{int}$) to the KDS dynamical mass budget by adopting a 'total' effective velocity of form $V_{tot} = (Vc^{2} + 4.0σ_{int}^{2})^{0.5}$. The rotation-dominated and dispersion-dominated KDS galaxies fall on the same locus in the total-velocity versus stellar-mass plane, removing the need for debate over the precise selection threshold for rotation-dominated galaxies. The comparison sample offsets are in the range +0.08 to +0.15 dex in total-velocity zero-point (-0.30 to -0.55 dex in stellar-mass zero-point) from the local Tully-Fisher relation at z > 1, consistent with steady evolution of the ratio of dynamical to stellar mass with cosmic time.

연구 동기 및 목표

• 고적색도(z ≈ 4)에서의 별질량 Tully-Fisher 관계 진화에 대한 서로 다른 문헌 결과를 해결하기 위해.
• 특히 높은 $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 를 갖는 회전에 의해 지배되는 은하 선택 기준에 의해 유도된 편향을 다루기 위해.
• 회전과 압력 지지력을 모두 고려한 단일 동역학질량 추정기로 회전과 속도분산에 의해 지배되는 은하들을 통합하기 위해.
• 관측된 Tully-Fisher 진화가 별질량 대 동역학질량 비율의 진정한 변화인지 또는 선택 효과의 산물인지 판단하기 위해.
• 고적색도 은하의 운동학적 성숙도와 그가 동역학적 척도관계를 해석하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비교를 위해 기준 표본으로 근접한 나선은하를 사용하여 국소 $ V_C $–$ M_\star $ 관계를 수립하고 기울기를 고정하였다.
• 동역학질량 예산에 회전과 압력 지지를 모두 포함하기 위해 총속도 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $ 를 정의하였다.
• KMOS Deep Survey (KDS) 은하에 총속도 관계를 적용하여 표본 컷 없이 일관된 분석이 가능하도록 하였다.
• KDS 데이터를 $ 0 < z < 3 $ 를 커버하는 16개의 외부 스펙트로스코픽 표본과 결합하였으며, $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 를 주요 선택 기준으로 사용하였다.
• 모든 표본에서 총속도 대 별질량 관계를 피팅하고 국소 Tully-Fisher 관계와의 기준점 오프셋을 비교하였다.
• 특히 속도분산에 의해 지배되는 시스템에서 $ \sigma_{\text{int}} $ 가 중요한 동역학 성분임을 검증하기 위해 비르יאל 질량 추정치를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 이전 연구들은 $ z \geq 1 $ 에서 별질량 Tully-Fisher 관계의 진화 경향에 대해 서로 다른 결과를 보였는가?
• RQ2 표본 선택, 특히 $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 임계값에 의해 유도된 편향이 Tully-Fisher 관계의 추론된 진화에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 압력 지지를 포함한 통합된 동역학질량 추정기로 고적색도 별 형성 은하의 운동학적 다양성을 통합할 수 있는가?
• RQ4 관측된 Tully-Fisher 진화는 진정으로 별질량 대 동역학질량 비율의 변화를 반영하는가, 아니면 선택 효과의 산물인가?
• RQ5 총속도–$ M_\star $ 관계는 $ z \approx 4 $ 에서 현재까지 어떻게 진화하며, 이는 은하 질량 구축에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 회전속도–$ M_\star $ 관계의 속도 오프셋은 표본 선택에 따라 크게 좌우되며, $ V_C $ 가 지배하는 표본은 $ z \approx 3.5 $ 에서 $-0.1$ dex 오프셋을 보이지만, 더 대표적인 표본은 유의미한 오프셋이 없다.
• 압력 보정 총속도 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $ 를 도입함으로써, 회전과 속도분산에 의해 지배되는 은하들이 $ V_{\text{tot}} $–$ M_\star $ 평면에서 하나의 시퀀스로 통합된다.
• KDS 표본은 국소 Tully-Fisher 관계 대비 총속도 기준점에 $+0.14$ dex 오프셋을 보이며, 이는 $ z \approx 4 $ 이후 별질량 대 동역학질량 비율이 점진적으로 감소하고 있음을 시사한다.
• 16개의 비교 표본에 적용했을 때 총속도–$ M_\star $ 관계는 $ z \geq 1 $ 에서 평균 $+0.12$ dex의 속도 기준점 오프셋(또는 $ M_\star $ 기준점에선 $-0.45$ dex)을 보이며, 지속적인 진화와 일관된다.
• 데이터는 $ z \approx 4 $ 에서 현재까지 $ M_\star / M_{\text{dyn}} $ 비율이 점진적으로 감소하는 시나리오와 일치하지만, $ 1 < z < 4 $ 에서는 일정하고 이후에 감소하는 경우도 배제할 수 없다.
• $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 에 따른 Tully-Fisher 오프셋의 강한 의존성은 고적색도 은하가 운동학적으로 미성숙하며, 중요한 압력 지지가 동역학질량에 기여하고 있음을 강조한다.