[논문 리뷰] The LEGA-C and SAMI Galaxy Surveys: Quiescent Stellar Populations and the Mass-Size Plane across 6 Gyr

Tania M. Barone, Francesco D’Eugenio외 23명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 02.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 163인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 LEGA-C (z ≈ 0.7) 및 SAMI (z ≈ 0.05) 조사 자료를 활용해 60억 년에 걸친 휴면은하의 별집단 진화를 조사한다. 금속성은 고·저적색편이에서 질량-크기 비율(M/Rₑ)과 상관관계를 보이며, 중력임계가 금속 보존을 조절한다는 것을 뒷받침한다. 반면 연령-표면밀도 관계(연령 대 M/R²ₑ)는 저적색편이에서만 나타나며, 이는 적색편이에 따라 달라지는 억제 임계값 때문임을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the change in mean stellar population age and metallicity ([Z/H]) scaling relations for quiescent galaxies from intermediate redshift ($0.60\leq z\leq0.76$) using the LEGA-C Survey, to low redshift ($0.014\leq z\leq0.10$) using the SAMI Galaxy Survey. We find that, similarly to their low-redshift counterparts, the stellar metallicity of quiescent galaxies at $0.60\leq z\leq 0.76$ closely correlates with $M_*/R_\mathrm{e}$ (a proxy for the gravitational potential or escape velocity), in that galaxies with deeper potential wells are more metal-rich. This supports the hypothesis that the relation arises due to the gravitational potential regulating the retention of metals, by determining the escape velocity required by metal-rich stellar and supernova ejecta to escape the system and avoid being recycled into later stellar generations. On the other hand, we find no correlation between stellar age and $M_*/R_\mathrm{e}^2$ (stellar mass surface density $\Sigma$) in the LEGA-C sample, despite this being a strong relation at low redshift. We consider this change in the age--$\Sigma$ relation in the context of the redshift evolution of the star-forming and quiescent populations in the mass--size plane, and find our results can be explained as a consequence of galaxies forming more compactly at higher redshifts, and remaining compact throughout their evolution. Furthermore, galaxies appear to quench at a characteristic surface density that decreases with decreasing redshift. The $z\sim 0$ age--$\Sigma$ relation is therefore a result of building up the quiescent and star-forming populations with galaxies that formed at a range of redshifts and so a range of surface densities.

연구 동기 및 목표

• 우주 시간에 따라 휴면은하의 별집단 성질(연령 및 금속성)이 어떻게 진화하는지 이해하기 위해.
• 연령, 금속성, 구조적 매개변수(질량 및 크기) 간의 스케일링 관계가 적색편이에 따라 일관되게 유지되는지 테스트하기 위해.
• 질량-크기 평면에서 개별 은하의 진화와 인구 전체의 추세를 분리하기 위해.
• 중력임계와 표면밀도가 휴면 및 금속 증가를 조절하는 데 어떤 역할을 하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• LEGA-C (0.60 ≤ z ≤ 0.76) 및 SAMI (0.014 ≤ z ≤ 0.10) 조사에서 1,000개 이상의 휴면은하에서 공간적으로 통합된 별집단 매개변수(연령, [Z/H])를 비교한다.
• 질량-크기 평면을 탐색하기 위해 은하 질량(M*)과 동역학적 질량 추정치(M_D ∝ σ²R_e)를 사용한다.
• 표면밀도(M/R²ₑ)와의 연령 스케일링 관계 및 중력임계 추정치(M/Rₑ)와의 금속성 스케일링 관계를 분석한다.
• 적색편이에 따른 질량-크기 관계의 진화와 연령-표면밀도 추세에 미치는 영향를 평가하기 위해 통계적 모델링을 적용한다.
• 두 조사 간의 비교 가능성을 확보하기 위해 일관된 광학 및 분광 데이터 처리 기법을 적용한다.
• 우주론적 모델과 개구부 보정 측정치를 활용해 전반적 별집단 성질을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간적색편이(z ≈ 0.7)에서 금속성–질량-크기 비율(M/Rₑ) 관계가 유지되는가?
• RQ2 z ≈ 0.7에서 연령-표면밀도(M/R²ₑ) 관계가 사라지는 이유는 무엇인가? (z ≈ 0일 때는 존재함)
• RQ3 질량-크기 평면의 적색편이 진화가 저적색편이에서 관측된 연령-표면밀도 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 중력임계가 휴면 및 금속 증가를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 저적색편이 연령-표면밀도 관계는 다양한 적색편이나 표면밀도에서 휴면하는 은하들의 누적 효과인가?

주요 결과

• [Z/H]–M/Rₑ 관계는 z ≈ 0.7에서도 존재하며, 더 깊은 중력임계가 더 높은 금속성을 의미함을 확인한다.
• 연령–M/R²ₑ 관계는 z ≈ 0.7에서는 존재하지 않으며, 고적색편이 휴면은하에서는 표면밀도가 연령을 조절하지 않는다는 것을 시사한다.
• 휴면 질량-크기 관계의 기울기는 z ≈ 0.7에서 약 0.5이며, 이는 점점 감소하는 截距를 가진 평탄한 M/Σ 관계로 이어진다.
• 은하는 적색편이에 따라 달라지는 표면밀도 임계값에서 휴면하며, 고적색편이에서는 더 높은 임계값을 가진다.
• 저적색편이 연령–M/R²ₑ 관계는 다양한 적색편이나 표면밀도에서 휴면하는 은하들의 복합적 효과이다.
• 결과는 은하가 고적색편이에서 더 조밀하게 형성되고, 이후 크기 변화 없이 진화하며, 시간이 지남에 따라 감소하는 특징적인 표면밀도에서 휴면한다는 시나리오를 지지한다.