[논문 리뷰] The MUSE Extremely Deep Field: Evidence for SFR-induced cores in dark-matter dominated galaxies at z=1

N. Bouché, Samuel Bera외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 MUSE 초초심도장에서의 3차원 적분장 스펙트로스코피를 사용하여, 별질량이 낮은 (10⁸.⁵–10¹⁰.⁵ M⊙) z ≈ 1의 은하에서 운동학과 암흑물질(DM) 함량을 분석한다. 반광반경 내 암흑물질 분율은 높으며(60–95%), 고별성활동률을 가진 은하에서 코어형 DM 프로파일이 흔히 관측되어, ΛCDM 프레임워크 내에서 피드백에 의해 유도된 코어 형성 이론을 지지한다.

ABSTRACT

Disc-halo decomposition on rotationally supported star-forming galaxies (SFGs) at $z>1$ are often limited to massive galaxies ($M_\star>10^{10}~M_\odot$) and rely on either deep Integral Field Spectroscopy data or stacking analyses. We present a study of the dark matter (DM) content of nine $z\approx1$ SFGs selected Using the brightest [OII] emitters in the deepest Multi-Unit Spectrograph Explorer (MUSE) field to date, namely the 140hr MUSE Extremely Deep Field, we perform disk-halo decompositions on 9 low-mass SFGs (with $10^{8.5}<M_\star<10^{10.5}~M_\odot$) using a novel 3D modeling approach, which together with the exquisite S/N allows us to measure individual rotation curves to $3 imes R_e$. The disk-halo decomposition includes a stellar, DM, gas, and occasionally a bulge component. The DM component primarily uses the generalized $\alpha,\beta,\gamma$ profile or a Navarro-Frenk-White (NFW) profile. The disk stellar masses $M_\star$ obtained from the [OII] disk-halo decomposition agree with the values inferred from the spectral energy distributions. While the rotation curves show diverse shapes, ranging from rising to declining at large radii, the DM fractions within the half-light radius $f_{ m DM}(<R_e)$ are found to be 60\% to 95\%, extending to lower masses (densities) recent results on massive SFGs with $M_\star>10^{10}~M_\odot$. The DM halos show constant surface densities of $\sim100~M_\odot$ pc$^{-2}$. Half of the sample shows a strong preference for cored over cuspy DM profiles. The presence of DM cores appears to be related to galaxies with stellar-to-halo mass $\log M_\star/M_{ m vir}\approx-2.5$. In addition, the cuspiness of the DM profiles is found to be a strong function of the recent star-formation activity. Both of these results are interpreted as evidence for feedback-induced core formation in the Cold Dark Matter context.

연구 동기 및 목표

• z ≈ 1에서 저질량, 고적색변위 별성활동 은하(SFGs)의 암흑물질 함량과 분포를 측정하기 위해.
• 이 은하들의 암흑물질 프로파일이 코어형인지 쿠스피형인지 평가하고, 별성활동과의 관계를 조사하기 위해.
• 관측된 암흑물질 분율과 농도가 ΛCDM 예측과 일치하는지 평가하기 위해.
• 초기 은하에서 별성활동 역사와 암흑물질 헤일의 구조 간의 관계를 조사하기 위해.

제안 방법

• [O II] 방출선 운동학에 대한 3차원 매개변수 모델링을 통해 반광반경의 약 3배까지 개별 회전곡선을 유도하기 위해.
• 일반화된 α, β, γ 또는 나바르-프랭크-화이트(NFW) 프로파일을 사용하여 별성, 암흑물질(DM), 가스, 복합체 성분을 포함한 디스크-헤일 분해를 수행하기 위해.
• Di Cintio 등(2014)의 피드백 유도 코어 형성 모델을 적용하여, 바리온 성분과 암흑물질 프로파일 형상 간의 관계를 설정하기 위해.
• 독립적인 별질량 추정을 위한 스펙트럼 에너지 분포(SED) 피팅을 사용하여 교차 검증을 수행하기 위해.
• SFR 및 SFR 표면 밀도 함수로서의 암흑물질 표면 밀도, 내부 기울기(γ), 별성-헤일 질량 비율(M⋆/Mvir)에 대한 통계적 분석을 수행하기 위해.
• 관측된 암흑물질 농도(cvir − Mvir)를 암흑물질만 있는 시뮬레이션의 예측과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 1에서 저질량, 고적색변위 별성활동 은하가 코어형인지 쿠스피형인지인 암흑물질 헤일 밀도 프로파일을 갖는가?
• RQ2 이 은하들에서 암흑물질 코어의 존재와 최근 별성활동 수준 간에 상관관계가 있는가?
• RQ3 반광반경 내 관측된 암흑물질 분율이 ΛCDM 시뮬레이션 예측 및 터리-파이저 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 암흑물질 표면 밀도와 농도 파rameter가 암흑물질만 있는 시뮬레이션의 이론적 기대와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 초신성 유도 외부류와 같은 피드백 과정이 이들 z ≈ 1 SFG에서 관측된 코어형 암흑물질 프로파일을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• [O II] 회전곡선으로 유도된 디스크 별질량은 SED 유도 값과 일치하지만, 두 개의 은하(IDs 919, 943)는 가까운 이웃 성간의 영향을 받아 운동학이 교란되어 있다.
• 반광반경 내 암흑물질 분율(fDM(< Re))은 60%에서 95% 사이로 변동하며, 이는 저질량 SFG가 암흑물질 주도임을 시사하며, 이전 결과를 더 낮은 별질량으로 확장한다.
• 암흑물질 표면 밀도는 샘플 전반에서 약 ∼100 M⊙ pc⁻²로 거의 일정하며, 보편적 스케일링 관계와 일치한다.
• 고립된 은하의 약 절반은 쿠스피형보다 코어형 프로파일을 강하게 선호하며, 이는 낮은 별성-헤일 질량 비율(log M⋆/Mvir ≈ −2.5)을 가진 은하에서 주로 관측된다.
• 암흑물질 프로파일의 내부 기울기(γ)는 최근 별성활동과 강하게 상관관계가 있다: 메인 시퀀스(MS)를 초과하거나 고SFR 표면 밀도를 가진 은하는 코어형 프로파일을 보이고, MS 이하 또는 저SFR 표면 밀도를 가진 은하는 쿠스피형 프로파일을 보인다.
• 관측된 농도-질량 관계(cvir − Mvir)는 암흑물질만 있는 시뮬레이션의 예측과 일치하며, z ≈ 1에서 ΛCDM 프레임워크가 유효함을 지지한다.