[논문 리뷰] zCOSMOS - 10k-bright spectroscopic sample. The bimodality in the Galaxy Stellar Mass Function: exploring its evolution with redshift

L. Pozzetti, M. Bolzonella외 57명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2009. 07. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 148인용 수 239

한 줄 요약

이 논문은 zCOSMOS-bright 10,000개의 분광학적 샘플에서 은하의 별질량 함수(GSMF)를 제시하며, 초기형과 후기형 은하에 대해 각각 두 개의 Schechter 함수로 가장 잘 기술되는 이중성 분포를 드러낸다. 질량에 따라 진화하는(다운사이징) 특징을 발견하였으며, 고질량 은하에서는 빨간 은하가 조기에 형성되며, 주로 주요 융합이 아닌 점진적인 항성 형성 억제에 의해 이끌린다. 또한 형태 변화가 색깔 변화보다 1–2 Gyr 늦어진다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We present the Galaxy Stellar Mass Function (MF) up to z~1 from the zCOSMOS-bright 10k spectroscopic sample. We investigate the total MF and the contribution of ETGs and LTGs, defined by different criteria (SED, morphology or star formation). We unveil a galaxy bimodality in the global MF, better represented by 2 Schechter functions dominated by ETGs and LTGs, respectively. For the global population we confirm that low-mass galaxies number density increases later and faster than for massive galaxies. We find that the MF evolution at intermediate-low values of Mstar (logM<10.6) is mostly explained by the growth in stellar mass driven by smoothly decreasing star formation activities. The low residual evolution is consistent with ~0.16 merger per galaxy per Gyr (of which fewer than 0.1 are major). We find that ETGs increase in number density with cosmic time faster for decreasing Mstar, with a median "building redshift" increasing with mass, in contrast with hierarchical models. For LTGs we find that the number density of blue or spiral galaxies remains almost constant from z~1. Instead, the most extreme population of active star forming galaxies is rapidly decreasing in number density. We suggest a transformation from blue active spirals of intermediate mass into blue quiescent and successively (1-2 Gyr after) into red passive types. The complete morphological transformation into red spheroidals, required longer time-scales or follows after 1-2 Gyr. A continuous replacement of blue galaxies is expected by low-mass active spirals growing in stellar mass. We estimate that on average ~25% of blue galaxies is transforming into red per Gyr for logM<11. We conclude that the build-up of galaxies and ETGs follows the same downsizing trend with mass as the formation of their stars, converse to the trend predicted by current SAMs. We expect a negligible evolution of the global Galaxy Baryonic MF.

연구 동기 및 목표

• I-band 등급(I < 22.5)과 적색편이까지 z ≈ 1까지의 대규모 분광학적 확정 샘플(8,500개 은하)을 사용하여 적색편이 z ≈ 1까지의 은하 별질량 함수(GSMF)를 측정한다.
• 다양한 분류 기준을 사용하여 초기형 은하(ETGs)와 후기형 은하(LTGs)의 기여를 분리함으로써 이중성 GSMF의 기원을 조사한다.
• 관측된 GSMF 진화의 기원이 되는 진화 메커니즘, 특히 항성 형성 억제와 융합 과정의 역할을 규명한다.
• 관측된 진화와 시뮬레이션된 융합률 및 항성 형성 역사를 비교함으로써 반정량적 모델(SAMs)의 예측을 검증한다.
• 우주의 시간에 따라 GSMF와 GBMF(은하 비가역 질량 함수)를 형성하는 데 있어 부드러운 질량 증가, 소형 융합, 주요 융합의 상대적 중요도를 평가한다.

제안 방법

• 이 연구는 1.4 deg² 영역에 걸쳐 8,500개의 은하를 포함하는 zCOSMOS-bright 10,000개 분광학적 조사 샘플을 사용하며, I-band 등급(I < 22.5)과 적색편이까지 z ≈ 1까지의 범위를 갖는다.
• 은하 유형은 스펙트럼 에너지 분포(SED), 형태, 스펙트럼 특징(D_n4000 등), 항성 형성 활동(SFR) 등의 다수의 독립적 기준을 사용하여 분류한다.
• GSMF는 적색편이 및 질량 구간으로 나누어 측정되며, 초기형 및 후기형 은하의 이중성 분포를 모델링하기 위해 두 개의 Schechter 함수의 합으로 피팅된다.
• 수집된 적색편이 범위에서 수밀 밀도 및 질량 밀도의 진화를 정량화하며, 중간-저질량(log(M/M☉) ~ 10.5) 및 고질량(log(M/M☉) > 11) 인구에 중점을 둔다.
• 은하 변환의 비율은 항성 형성 억제가 주요 원인이라고 가정할 때, 빨간 은하 밀도 증가와 파란 은하 밀도 감소를 비교하여 추정된다.
• 융합률은 GSMF의 잔여 진화에서 유추되며, 설명되지 않은 증가는 융합에 기인한다고 가정하고, 중간값으로 약 0.16회/은하/Gyr의 융합률(그 중 <0.1은 주요 융합)을 산정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 1까지의 은하 별질량 함수(GSMF)의 형태와 진화는 어떻게 되며, 단일 함수보다 이중성 함수로 더 잘 기술되는가?
• RQ2 초기형 및 후기형 은하의 수밀도는 적색편이에 따라 어떻게 진화하며, 이는 그들의 형성 timescale에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 GSMF 진화는 점진적인 항성 형성 억제에 의해 더 강하게 영향을 받는가, 아니면 주요 융합 사건에 의해 더 강하게 영향을 받는가?
• RQ4 은하의 형태 변화(예: 나선은하에서 구형은하로의 전환)는 색깔 변화(억제) 이전에 일어나는가, 이후에 일어나는가?
• RQ5 관측된 진화 속도는 현재의 반정량적 은하 형성 모델(SAMs)의 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 전반적인 GSMF는 명확한 이중성 형태를 보이며, 초기형 은하(ETGs)와 후기형 은하(LTGs)에 대해 각각 하나의 Schechter 함수로 가장 잘 피팅되며, 은하 집단 간의 근본적인 이원성 구조를 확인한다.
• 중간-저질량 은하(log(M/M☉) ~ 10.5)의 수밀도는 z = 1에서 z = 0으로 갈수록 두 배로 증가하지만, 고질량 은하(log(M/M☉) > 11)의 경우 15% 미만으로 증가하여 질량에 따라 진화하는 특징을 보인다.
• 중간-저질량 영역에서 GSMF의 진화는 주로 항성 형성 활동의 점진적 감소에 의해 주도되며, 주요 융합보다는 그렇지 않다. 잔여 진화를 설명하기 위해 약 0.16회의 융합(주요 융합은 0.1 미만)이 은하당 Gyr당 필요하다.
• 중간질량 ETGs의 수밀도는 우주의 시간이 지남에 따라 크게 증가한다(z = 0.7에서 z = 0.2로의 변화에서 log(M/M☉) = 10.3–10.7 범위에서 약 4–2배 증가), 이는 계층적 SAM 예측과 일치하지 않는 상단에서 하단으로 쌓는 역사적 구조를 시사한다.
• 파란 은하의 색깔 변화(억제)가 붉은 구형은하로의 형태 변화보다 1–2 Gyr 앞서며, 이는 내부 과정(예: 디스크 불안정성)이 항성 형성 억제 이후에 형태 변화를 이끌 수 있음을 시사한다.
• 은하 비가역 질량 함수(GBMF)는 전반적인 인구에서 거의 진화가 없으며, 중간-고질량 영역에서 파란 은하 인구의 경우 우주의 시간이 지남에 따라 감소한다. 이는 주로 부드러운 질량 증가와 억제에 의해 주도되는 시나리오와 일치한다.