[논문 리뷰] xGASS: characterizing the slope and scatter of the stellar mass - angular momentum relation for nearby galaxies

Jennifer A Hardwick, L. Cortese외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 75인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 xGASS 조사에서 확보한 564개의 근접은하에 대해 비해상적 수소(HI) 속도 폭과 은하별 질량 분포를 이용하여 항성 질량-특정 운동량(AM) 관계(Fall 관계)를 분석한다. 각 형상별로 기울기는 약 2/3로 나타나지만, 종합된 표본에서는 형상 혼합으로 인해 기울기가 더 얕아져 약 0.47로 관측된다. HI 기체 비율이 산란의 주요 원인으로 작용하며, 특히 저질량 영역에서 두드러진다. 고질량 영역에서는 부두비율이 점점 더 중요한 영향을 미친다.

ABSTRACT

We present a detailed study of the stellar mass vs. specific angular momentum (AM) relation (Fall relation) for a representative sample of 564 nearby galaxies in the eXtended GALEX Arecibo SDSS Survey (xGASS). We focus on the dependence of the Fall relation's slope on galaxy type and the galaxy properties regulating its scatter. Stellar specific AM is determined by combining single-dish H{\sc i} velocity widths and stellar mass profiles for all H{\sc i} detections in the xGASS sample. At fixed morphology (or bulge-to-total ratio), we find that the power law slope of the Fall relation is consistent with 2/3. However, when all galaxy types are combined, we recover a much shallower slope of $\sim$0.47. We show that this is a consequence of the change in galaxy morphology as a function of mass, highlighting that caution should be taken when using the slope of the Fall relation to constrain galaxy formation models without taking sample selection into account. We quantify the Fall relations scatter and show that H{\sc i} gas fraction is the strongest correlated parameter for low stellar masses (Spearman correlation: $ ho_{s} = 0.61$), while the bulge-to-total ratio becomes slightly more dominant at higher masses ($ ho_{s} = -0.29$). Intriguingly, when only the disc components of galaxies are considered, H{\sc i} gas fraction remains the strongest correlated parameter with the scatter of the relation (regardless of disc stellar mass). Our work provides one of the best characterisations of the Fall relation for a representative sample of galaxies in the local Universe.

연구 동기 및 목표

• 근접은하의 대표 표본에서 항성 질량-특정 운동량(AM) 관계(Fall 관계)의 기울기와 산란을 규명하는 것.
• 은하 형상 및 구조적 특성이 Fall 관계의 기울기와 산란에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 산란의 주요 물리적 원인, 특히 기체 함량과 부두 비율을 규명하는 것.
• 다양한 형상의 큰 표본을 통해 관계를 정량화함으로써 은하 형성 모델에 대한 제약을 강화하는 것.

제안 방법

• Arecibo 망원경을 통해 확보한 비해상적 수소(HI) 속도 폭을 이용하여 564개 은하의 회전 속도와 특정 운동량을 추정한다.
• 2차원 항성 질량 표면 밀도 프로파일을 구조적 분해를 통해 확보하고, 이를 HI 속도 폭와 융합하여 항성 특별 운동량(j★)을 유도한다.
• 전체 표본 및 형상별로 j★와 M★ 간의 거듭제곱 관계를 강력한 통계적 방법(부트스트랩 포함)을 사용하여 피팅한다.
• Fall 관계의 산란을 정량화하고, HI 기체 비율, 부두-총비(B/T), 별 형성률 등의 은하 특성과의 상관관계를 스피어만 순위 상관관계를 통해 평가한다.
• 산란에 기여하는 디스크 성분의 역할을 분리하기 위해 디스크 성분만 별도로 분석한다.
• 모든 거리 및 질량 계산에 대해 천체물리적 파rameter H₀ = 70 km s⁻¹ Mpc⁻¹, Ωₘ = 0.3, ΩΛ = 0.7을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 형상의 다양성이 질량에 따라 변할 때, 항성 질량-특정 운동량 관계의 진정한 기울기는 무엇인가?
• RQ2 Fall 관계의 산란은 HI 기체 비율 및 부두-총비와 같은 물리적 특성과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 특히 디스크 지배 은하에서, HI 기체 비율이 Fall 관계의 산란을 주도하는가?
• RQ4 산란의 주요 원인이 질량에 따라 변화하는가, 특히 저질량과 고질량 은하 간에?
• RQ5 이질적인 표본에서의 형상 혼합이 Fall 관계의 관측 기울기를 얼마나 왜곡하는가?

주요 결과

• 부두-총비(B/T)가 일정할 경우, 항성 질량-특정 운동량 관계의 거듭제곱 기울기는 냉각된 다크 물질 홀로 모델이 예측하는 것처럼 약 2/3으로 일관된다.
• 모든 은하 유형을 종합하면, 관측된 Fall 관계의 기울기는 은하 형상이 항성 질량에 따라 체계적으로 변화함에 따라 더 얕아져 약 0.47로 나타난다.
• 저질량 은하에서는 HI 기체 비율이 Fall 관계의 산란과 가장 강하게 상관되며(Spearman ρₛ = 0.61), 이는 디스크 안정성과 기체 함량 간의 강력한 물리적 연관성을 시사한다.
• 고질량 영역에서는 부두-총비 비율이 산란을 설명하는 데 약간 더 중요한 역할을 하며(ρₛ = -0.29), 이는 주요 물리적 메커니즘이 변화함을 시사한다.
• 디스크 성분만 고려할 경우, 디스크 항성 질량에 관계없이 HI 기체 비율이 여전히 산란의 주요 원인으로 남아 있으며, 이는 기체 디스크의 안정성과 운동량 조절에서의 역할을 강화한다.
• 결과적으로 Fall 관계의 산란은 주로 기체 디스크의 안정성에 의해 결정되며, HI 기체 비율은 이 안정성의 핵심 지표로 작용한다.