[논문 리뷰] The Properties of the Star-Forming Interstellar Medium at z=0.84-2.23 from HiZELS - I: Mapping the Internal Dynamics and Metallicity Gradients in High-Redshift Disk Galaxies

A. M. Swinbank, David Sobral외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 z=0.84–2.23 범위의 9개의 Hα 선택된 은하를 대상으로 적응광학 스펙트로스코피를 사용하여 이온화된 가스의 운동학과 금속성 경향을 맵핑하며, 고적색도 디스크 은하가 강한 회전 운동과 음의 금속성 경향을 보임을 밝혀냈다. 주요 발견은 z≈1.5에서 z=0으로 갈수록 B-대역 질량-광도 비율이 3.5배 증가했으며, 은하의 질량-속도 관계에서의 별질량 Tully-Fisher 진화는 고정된 비가역 질량 전환 효율과 빛의 강도에 기인한 척도관계의 강한 진화를 시사한다.

ABSTRACT

We present adaptive optics assisted, spatially resolved spectroscopy of a sample of nine H-alpha-selected galaxies at z=0.84--2.23 drawn from the HiZELS narrow-band survey. These galaxies have star-formation rates of 1-27Mo/yr and are therefore representative of the typical high-redshift star-forming population. Our ~kpc-scale resolution observations show that approximately half of the sample have dynamics suggesting that the ionised gas is in large, rotating disks. We model their velocity fields to infer the inclination-corrected, asymptotic rotational velocities. We use the absolute B-band magnitudes and stellar masses to investigate the evolution of the B-band and stellar mass Tully-Fisher relationships. By combining our sample with a number of similar measurements from the literature, we show that, at fixed circular velocity, the stellar mass of star-forming galaxies has increased by a factor 2.5 between z=2 and z=0, whilst the rest-frame B-band luminosity has decreased by a factor ~6 over the same period. Together, these demonstrate a change in mass-to-light ratio in the B-band of Delta(M/L_B)/(M/L_B)_(z=0) \sim 3.5 between z=1.5 and z=0, with most of the evolution occurring below z=1. We also use the spatial variation of [NII]/Halpha to show that the metallicity of the ionised gas in these galaxies declines monotonically with galacto-centric radius, with an average Delta(log O/H)/DeltaR=-0.027+/-0.005dex/kpc. This gradient is consistent with predictions for high-redshift disk galaxies from cosmologically based hydrodynamic simulations.

연구 동기 및 목표

• z=0.84–2.23 범위의 고적색도 성간 형성 디스크 은하의 내부 운동학과 금속성 구조를 측정하기 위해.
• 우주 시간에 따라 잔여 프레임 B-대역 광도와 별질량에서의 Tully-Fisher 관계의 진화를 시험하기 위해.
• 관측된 금속성 경향이 천체물리학적 수치 시뮬레이션과 은하 형성 모델과 일치하는지 평가하기 위해.
• 고적색도 디스크가 척도관계를 따라 진화하는지 아니면 상당한 구조적 변화를 겪는지 판단하기 위해.
• 가스 유입과 피드백이 디스크 척도관계와 화학 조성 프로파일을 어떻게 형성하는지 제약하기 위해.

제안 방법

• z=0.84–2.23 범위의 HiZELS 조사에서 확보한 9개의 Hα 발광 은성에 대해 공간 해상도가 높고 적응광학 기반의 SINFONI 스펙트로스코피를 확보하였다.
• Hα 및 [N ii] 발광선을 사용하여 이온화된 가스 운동학을 맵핑하고, 회전곡선과 속도장 역할을 유도하였다.
• 속도장을 모델링하여 기울기 보정된 점점 가까운 회전 속도(V_circ)와 역학적 질량을 유추하였다.
• 문헌 자료와 결합하여 적색도 범위 전역에서 잔여 프레임 B-대역과 별질량 Tully-Fisher 관계를 구성하였다.
• 공간 해상도가 높은 [N ii]/Hα 비율을 사용하여 이온화된 가스의 반경 금속성 경향을 측정하였으며, O/H 농도 추정치를 가정하였다.
• 관측된 척도관계와 금속성 경향을 천체물리학적 수치 시뮬레이션과 반분석 모델의 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색도 성간 형성 디스크 은하가 대규모로 질서정연한 회전 운동을 보이며, 그들의 역학적 질량은 무엇인가?
• RQ2 B-대역과 별질량 Tully-Fisher 관계는 z≈2에서 z=0으로 갈수록 어떻게 진화하며, 이는 별 형성 효율성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 고적색도 디스크의 이온화된 간성간 매질의 반경 금속성 경향은 무엇이며, 국지 은하와 시뮬레이션과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 관측된 Tully-Fisher 관계의 진화는 가스 유입과 피드백 기반의 디스크 진화와 일치하는가?
• RQ5 고적색도 디스크는 국지 나선 은하와 같은 척도관계를 따르는가, 아니면 별도의 형성 메커니즘이 필요한가?

주요 결과

• 표본 은하의 약 절반은 기하학적 모델링을 통해 기울기 보정된 회전 속도를 유추한 대규모 회전하는 이온화된 가스 디스크를 보였다.
• 잔여 프레임 B-대역 Tully-Fisher 관계는 강한 진화를 보였다: 고정된 원형 속도에서 B-대역 광도는 z≈2에서 z=0으로 갈수록 약 6배 감소하였다.
• 별질량 Tully-Fisher 관계는 약간의 진화만 보였으며, z=2에서 z=0으로 갈수록 별질량이 약 2.5배 증가하여 거의 일정한 비가역 질량 전환 효율을 시사하였다.
• B-대역 질량-광도 비율은 z≈1.5에서 z=0으로 갈수록 Δ(M/L_B)/(M/L_B)_z=0 ≈ 3.5배 증가하였으며, 대부분의 진화는 z<1 이하에서 발생하였다.
• 이온화된 가스의 평균 반경 금속성 경향은 Δlog(O/H)/ΔR = −0.027 ± 0.005 dex kpc⁻¹였으며, 국지 디스크와 천체물리학적 시뮬레이션에서 관측된 음의 경향과 일치하였다.
• 고적색도 디스크는 고정된 원형 속도에서 국지 디스크보다 약 1.5배 작았으며, 이는 외부 유입 또는 후기 시기의 가스 유입에 의한 각운동량 진화를 시사한다.