[논문 리뷰] The Star Formation Rates of Elliptical Galaxies from Core-Collapse Supernovae

Thomas M. Sedgwick, I. K. Baldry외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 타원은하에서 최근의 별 형성의 지표로 핵붕괴 초신성(CC-SNe)을 사용하며, SDSS 스트립 82 지역에서 색과 형상에 기반한 베이지안 방법을 적용하여 은하를 분류한다. 연구 결과, 타원은하는 현재의 간섭성 별 형성률 밀도에 11.2±3.1% (통계적) 기여하며, 질량이 큰 타원은하의 평균 특별별 형성률은 9.2×10⁻¹² yr⁻¹으로 추정되며, 이는 SED-fitting 추정치와 일치하며 지속적인 저수준의 별 형성이 일어나고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The level of star formation in elliptical galaxies is poorly constrained, due to difficulties in quantifying the contamination of flux-based estimates of star formation from unrelated phenomena, such as AGN and old stellar populations. We here utilise core-collapse supernovae (CCSNe) as unambiguous tracers of recent star formation in ellipticals within a cosmic volume. We firstly isolate a sample of 421 z < 0.2, r < 21.8 mag CCSNe from the SDSS-II Supernova Survey. We then introduce a Bayesian method of identifying ellipticals via their colours and morphologies in a manner unbiased by redshift and yet consistent with manual classification from Galaxy Zoo 1. We find ~ 25 % of z < 0.2 r < 20 mag galaxies in the Stripe 82 region are ellipticals (~ 28000 galaxies). In total, 36 CCSNe are found to reside in ellipticals. We demonstrate that such early-types contribute a non-negligible fraction of star formation to the present-day cosmic budget, at 11.2 $\pm$ 3.1 (stat) $^{+3.0}_{-4.2}$ (sys) %. Coupling this result with the galaxy stellar mass function of ellipticals, the mean specific star formation rate (SSFR; $\overline{S}$) of these systems is derived. The best-fit slope is given by log ($\overline{S}(M)$/yr) = - (0.80 $\pm$ 0.59) log ($M/10^{10.5} m{M}_{\odot}$) - 10.83 $\pm$ 0.18. The mean SSFR for all log ($M/ m{M}_{\odot}$) > 10.0 ellipticals is found to be $\overline{S} = 9.2 \pm 2.4$ (stat) $^{+2.7}_{-2.3}$ (sys) $ imes 10^{-12}$ yr$^{-1}$, which is consistent with recent estimates via SED-fitting, and is 11.8 $\pm$ 3.7 (stat) $^{+3.5}_{-2.9}$ (sys) % of the mean SSFR level on the main sequence as also derived from CCSNe. We find the median optical spectrum of elliptical CCSN hosts is statistically consistent with that of a control sample of ellipticals that do not host CCSNe, implying that these SN-derived results are well-representative of the total low-z elliptical population.

연구 동기 및 목표

• 기존의 복사 강도 기반 진단법에서 활성은하핵(AGN), 오래된 별 집단, 후-AGB 별에 의한 오염으로 인해 발생하는 타원은하의 별 형성률(SFR) 측정에 대한 불확실성을 해결하기 위해.
• 자외선, 적외선, Hα 지표의 한계를 극복하기 위해 최근 별 형성의 명확한 지표로 핵붕괴 초신성(CCSNe)을 사용하기 위해.
• 적색편이에 영향을 받지 않고 Galaxy Zoo 수작업 분류와 일치하는 색과 형상에 기반한 베이지안 분류 방법을 개발하기 위해.
• 타원은하가 현재의 간섭성 별 형성률 밀도(SFRD)에 기여하는 정도를 정량화하고, 평균 특별별 형성률(SSFR)을 유도하기 위해.
• 핵붕괴 초신성을 포함하는 타원은하가 저 redshift 타원은하 전체 집단을 대표하는지 스펙트럼 비교를 통해 평가하기 위해.

제안 방법

• SDSS-II 초신성 조사에서 z<0.2 이하이고 r<21.8인 421개의 핵붕괴 초신성(CCSNe) 샘플을 추출하였다.
• Galaxy Zoo 1의 시각적 분류와 일치하도록 훈련된 u-g, g-r, r-i, i-z 색과 de Vaucouleurs의 농도 지수를 사용하여 타원은하를 식별하는 베이지안 분류 프레임워크를 개발하였다.
• z<0.2 이하이고 r<20 등급인 SDSS 스트립 82 지역의 28,000개의 은하에 이 방법을 적용하여 타원은하 비율이 25%로 도출되었다.
• 최종 분류된 타원은하 샘플에 36개의 CCSNe가 존재하는 것으로 확인되었다.
• 핵붕괴 초신성의 관측된 발생률을 Salpeter 초기 질량 함수와 함께 10 Myr의 질량 있는 별 형성 시간 스케일을 사용하여 SFR로 변환함으로써, 이 타원은하들이 기여하는 간섭성 별 형성률 밀도(SFRD)를 계산하였다.
• SFRD 결과를 타원은하의 은하 질량 함수와 결합하여 특별별 형성률(SSFR)을 유도하였으며, SSFR–질량 관계에 대한 거듭제곱법적 관계를 fitting 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵붕괴 초신성을 통해 추적된 타원은하는 현재의 간섭성 별 형성률 밀도(SFRD)에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 질량이 큰 타원은하의 특별별 형성률(SSFR)은 은하 질량에 따라 어떻게 변화하며, log(M/M☉) > 10.0 인 경우 평균 값은 얼마인가?
• RQ3 핵붕괴 초신성을 포함하는 타원은하의 옵티컬 스펙트럼은 저 redshift 타원은하 전체 집단을 대표하는가?
• RQ4 자외선, Hα 등의 전통적 SFR 지표는 비별 형성 과정에 의한 오염으로 인해 타원은하의 별 형성을 정확히 측정하지 못하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 광학적 색과 형상에 기반한 베이지안 분류 방법은 적색편이의 영향 없이 타원은하를 신뢰성 있게 식별할 수 있으며, 수작업 분류와 비교해 볼 때 어떤가?

주요 결과

• 타원은하는 현재의 간섭성 별 형성률 밀도(SFRD)에 통계적 오차 11.2±3.1%와 체계적 오차 +3.0/-4.2% 기여한다.
• 질량이 큰 타원은하(log(M/M☉) > 10.0)의 평균 특별별 형성률(SSFR)은 통계적 오차 9.2±2.4와 체계적 오차 +2.7/-2.3 ×10⁻¹² yr⁻¹이다.
• 타원은하의 SSFR–질량 관계는 거듭제곱법으로 가장 잘 맞는 관계식: log(SSFR/yr⁻¹) = –(0.80±0.59)log(M/10¹⁰.⁵M☉) – 10.83±0.18 로 기술된다.
• 핵붕괴 초신성을 포함하는 타원은하의 중앙 옵티컬 스펙트럼은 비-SN 타원은하 제어 샘플과 통계적으로 구별되지 않으며, 이는 SN 호스팅 타원은하가 전체 집단을 잘 대표하고 있음을 시사한다.
• 결과는 최근 SED-fitting 추정치와 일치하며, 타원은하가 주성분 시퀀스 SSFR 수준의 통계적 오차 11.8±3.7%와 체계적 오차 +3.5/-2.9% 기여함을 보여준다.
• 이 연구는 핵붕괴 초신성이 초기형 은하에서 최근 별 형성의 강력하고 오염 없이 신뢰할 수 있는 지표임을 확인하였으며, 오랫동안 지속된 SFR 측정의 모호함을 해결하였다.