[논문 리뷰] The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: V. Spatially resolved stellar kinematics of galaxies at redshift $0.2\lesssim z \lesssim 0.8$

Adrien Guérou, Davor Krajnović외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 98인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 허블 초초음속심장역도와 허블 깊은역도에서 MUSE/VLT의 깊은 통합장 스펙트로스코피를 사용하여 17개의 중간적색편이 은하(0.2 ≤ z ≤ 0.8)에 대해 처음으로 공간적으로 해상도가 높은 별 운동학을 제시한다. 전체 스펙트럼 피팅을 통해 별의 속도(V)와 속도 분산(σ)의 2차원 맵을 유도하였으며, 이는 약 4–7 Gyr 전에 정상적인 회전하는 별 디스크와 일정한 σ를 가진 시스템이 이미 존재했음을 보여주며, 기체 운동학이 중력 잠재력과 밀접하게 일치함을 나타내어 이러한 시스템에서 난류나 충격이 거의 없음을 시사한다.

ABSTRACT

We present spatially resolved stellar kinematic maps, for the first time, for a sample of 17 intermediate redshift galaxies (0.2 < z < 0.8). We used deep MUSE/VLT integral field spectroscopic observations in the Hubble Deep Field South (HDFS) and Hubble Ultra Deep Field (HUDF), resulting from ~30h integration time per field, each covering 1'x1' field of view, with ~0.65" spatial resolution. We selected all galaxies brighter than 25mag in the I band and for which the stellar continuum is detected over an area that is at least two times larger than the spatial resolution. The resulting sample contains mostly late-type disk, main-sequence star-forming galaxies with 10^8.5 - 10^10.5 Msun. Using a full-spectrum fitting technique, we derive two-dimensional maps of the stellar and gas kinematics, including the radial velocity V and velocity dispersion sigma. We find that most galaxies in the sample are consistent with having rotating stellar disks with roughly constant velocity dispersions and that the Vrms=sqrt{V^2+sigma^2} of the gas and stars, a scaling proxy for the galaxy gravitational potential, compare well to each other. These spatially resolved observations of intermediate redshift galaxies suggest that the regular stellar kinematics of disk galaxies that is observed in the local Universe was already in place 4 - 7 Gyr ago and that their gas kinematics traces the gravitational potential of the galaxy, thus is not dominated by shocks and turbulent motions. Finally, we build dynamical axisymmetric Jeans models constrained by the derived stellar kinematics for two specific galaxies and derive their dynamical masses. These are in good agreement (within 25%) with those derived from simple exponential disk models based on the gas kinematics. The obtained mass-to-light ratios hint towards dark matter dominated systems within a few effective radii.

연구 동기 및 목표

• 깊은 통합장 스펙트로스코피를 사용하여 중간적색편이 은하(0.2 ≤ z ≤ 0.8)에서 공간적으로 해상도가 높은 별 운동학을 측정하기 위해.
• 지역 우주에서 관측된 정상적인 별 디스크 운동학이 우주의 시간 4–7 Gyr 전에 이미 확립되어 있었는지 확인하기 위해.
• 이 은하들의 기체 운동학이 중력 잠재력을 따라가는지, 아니면 난류와 충격에 의해 지배되는지 평가하기 위해.
• 별 운동학에서 유도된 동역적 질량을 기체 운동학과 SED 피팅에서 유도된 질량와 비교하여 암흑물질 함량을 평가하기 위해.

제안 방법

• 허블 초초음속심장역도와 허블 깊은역도에서 1′ × 1′ 영역에 대해 MUSE/VLT의 깊은 통합장 스펙트로스코피(각 필드 약 30시간)를 확보하였다.
• I-대역 등급이 <25 mag 이며, 공간 해상도의 2배 이상을 초월해 별 연속스펙트럼가 감지된 은하를 선별하여 신뢰할 수 있는 운동학 측정가능성을 확보하였다.
• 별 연속스펙트럼에서 별의 정상 속도(V)와 속도 분산(σ)의 이차원 맵을 유도하기 위해 전체 스펙트럼 피팅을 적용하였다.
• 중력 잠재력의 대리 지표로 두 번째 속도 모멘트인 $V_{\rm rms} = \sqrt{V^2 + \sigma^2}$를 계산하고, 별과 이온화 기체 간에 비교하였다.
• 관측된 $V_{\rm rms}$ 맵에 의해 제약을 받는 축대칭 제인 동역학 모델을 구성하여 두 대표적 은하의 동역적 질량을 유도하였다.
• 별 운동학에서 유도된 동역적 질량을 기체 운동학(지수 디스크 모델을 가정)에서 유도된 질량과 SED 피팅에서 유도된 별 질량과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간적색편이 은하(0.2 ≤ z ≤ 0.8)는 지역 디스크 은하와 유사한 정상적이고 회전하는 별 디스크를 나타내는가?
• RQ2 이 은하들의 디스크 전반에 걸쳐 별의 속도 분산이 공간적으로 일정한가? 이는 안정적이고 정착된 시스템임을 시사하는가?
• RQ3 기체 운동학이 난류나 충격에 의해 지배되는 것보다 중력 잠재력을 얼마나 잘 따라가는가?
• RQ4 별 운동학에서 유도된 동역적 질량이 기체 운동학에서 유도된 질량과 SED 기반 별 질량과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 동역학 모델링을 통해 몇 개의 효과적 반경 이내에서 암흑물질 함량을 어떻게 추정할 수 있는가?

주요 결과

• 표본에 포함된 대부분의 은하는 별의 속도 분산(σ)이 약 30~90 km s⁻¹이며, 공간 해상도 범위 전반에 걸쳐 일정한 값을 가지는 정상적인 회전하는 별 디스크를 나타낸다.
• 별의 회전 속도는 거의 0(면면 방향, 교란된 시스템)에서 ~40–130 km s⁻¹(변면 방향, 디스크 유사 시스템)까지 다양하며, 이는 상당한 회전 지지력을 나타낸다.
• 별과 기체의 두 번째 속도 모멘트 $V_{\rm rms}$는 공간 격자 전반에서 밀도 높은 1:1 상관관계를 보이며, 기체 운동학이 강한 난류 없이 중력 잠재력을 따라간다는 것을 시사한다.
• 별 운동학 주축과 기체 운동학 주축 간의 중앙각 오차는 9° ± 33°이며, 별 운동학 주축과 광학 주축 간의 중앙각 오차는 16° ± 14°이다. 이는 전체적으로 축대칭이며, 평판형 시스템임을 지지한다.
• 축대칭 제인 모델에 의해 $V_{\rm rms}$ 맵에 의해 제약을 받는 동역적 질량은 지수 디스크를 가정한 기체 운동학에서 유도된 질량과 10–25% 이내로 일치하며, 이는 모델의 타당성을 검증한다.
• 동역적 질량은 SED 피팅에서 유도된 별 질량을 초월하며, 두 대표적 은하 모두 몇 개의 효과적 반경 이내에서 암흑물질에 의해 지배된다는 것을 시사한다.