[論文レビュー] Disk galaxy scaling relations at intermediate redshifts - I. The Tully-Fisher and velocity-size relations

A. Boehm, B. Ziegler|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 69被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、VLT/FORS分光法およびHST/ACS画像を用いて最大回転速度（$ V_{\rm max} $）、光度、ディスクサイズを測定することで、$ z \approx 0.05 $ から $ 1 $ の124個のディスク銀河から運動学的に導かれたサンプルを提示する。固定された $ V_{\rm max} $ において、$ z \approx 1 $ の銀河は、局所の対応物に比べて $ \sim 1.2\,\text{mag} $ 明るく、$ \sim 1.5\times $ 小さく、$ z \approx 0.5 $ でTully-Fisher関係および速度-サイズ関係の散らばりが $ \sim 2 $ 倍に増加しており、$ \sim 8\,\text{Gyr} $ の間に明るさとサイズの顕著な進化が生じていることが示唆される。

ABSTRACT

We took spatially resolved slit spectra of 261 field disk galaxies at redshifts up to z~1 using the FORS instruments of the ESO Very Large Telescope. Our spectroscopy was complemented with HST/ACS imaging in the F814W filter. We analyzed the ionized gas kinematics by extracting rotation curves from the 2-D spectra. Taking into account all geometrical, observational and instrumental effects, these rotation curves were used to derive the intrinsic Vmax. Neglecting galaxies with disturbed kinematics or insufficient spatial rotation curve extent, Vmax could be robustly determined for 124 galaxies covering redshifts 0.05

研究の動機と目的

• 高赤方偏移の運動学的データを用いて、宇宙時間に伴うディスク銀河のスケーリング関係（特にTully-Fisher関係および速度-サイズ関係）の進化を測定すること。
• Tully-Fisher関係（明るさ対 $ V_{\rm max} $）および速度-サイズ関係（$ V_{\rm max} $ 対ディスクスケール長）が、ゼロポイント、勾配、または散らばりにおいて赤方偏移依存性を示すかどうかを特定すること。
• 観察された明るさとサイズの進化の物理的駆動要因を調査すること、特に星族の年齢およびダークマター質量分率の変化を含む。
• 中間赤方偏移におけるスケーリング関係の散らばりの増加が、非円形運動、軸ずれ、または星族効果に起因するかどうかを評価すること。
• 明るさとサイズの進化の間隔を比較することで、局所関係から著しく逸脱するパラメータの変動を示す銀河を探索すること。

提案手法

• ESOの非常に大きな望遠鏡（VLT）に搭載されたFORS機器を用いて、261個のフィールドディスク銀河の空間分解済みスリット分光を取得し、赤方偏移範囲は $ 0.05 < z < 0.97 $ であり、観測実施は65.O-0049から081.B-0107Aまで。
• 分光データから2次元の運動学的マップを抽出し、機器的・幾何学的・観測的要因の補正を施して、内在的な $ V_{\rm max} $ を決定する回転曲線を導出する。
• VLT分光法とHST/ACS F814W画像を統合し、ディスクスケール長および傾き、有効半径を含む光度的パラメータを測定する。
• 遠方銀河のTully-Fisher関係（明るさ対 $ V_{\rm max} $）および速度-サイズ関係（$ V_{\rm max} $ 対スケール長）を構築し、局所基準サンプルと比較する。
• 測定誤差および選択効果を補正する統計的手法を用いて、Tully-Fisher関係および速度-サイズ関係の内在的散らばりを定量化する。
• 吸収補正済みの $ (B-R) $ 色から、静止系 $ B $-バンドの星の質量-光度比を計算し、星族の役割が散らばりの進化に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $ z \approx 0 $ から $ z \approx 1 $ の間で、Tully-Fisher関係のゼロポイントおよび散らばりはどのように変化するか。また、固定された $ V_{\rm max} $ における明るさのオフセットは何か。
• RQ2 $ z \approx 1 $ のディスク銀河は、局所の速度-サイズ関係からサイズおよび $ V_{\rm max} $ においてどの程度逸脱しているか。
• RQ3 $ z \approx 0.5 $ で増加したTully-Fisher関係および速度-サイズ関係の散らばりは、非円形運動、軸ずれ、または星族効果に起因するか。
• RQ4 最も顕著な明るさの進化を示す銀河は、同時に最も顕著なサイズの進化を示すか。それとも、2つのパラメータの間には相関がないか。
• RQ5 星族の年齢および $ M/L $ 比は、Tully-Fisher関係における散らばりの進化を駆動する要因として果たす役割は何か。

主な発見

• 赤方偏移 $ z \approx 1 $ において、$ V_{\rm max} $ が同じ場合、ディスク銀河は局所の対応物に比べて、$ \Delta M_B = -(1.2 \pm 0.5)\,\text{mag} $ 明るく、顕著な明るさの進化を示している。
• 赤方偏移 $ z \approx 1 $ のディスク銀河は、同じ $ V_{\rm max} $ の局所銀河に比べてサイズが $ \sim 1.5 $ 倍小さくなっており、$ \sim 8\,\text{Gyr} $ の間に顕著なサイズの進化が生じていることが示唆される。
• Tully-Fisher関係および速度-サイズ関係における内在的散らばりは、$ z \approx 0.5 $ で局所宇宙に比べて約2倍大きくなっており、中間赤方偏移で運動学的または構造的多様性が増加している可能性を示唆している。
• 明るさとサイズの進化は相関していない。最もサイズの進化が著しい銀河が最も明るいわけではなく、逆に明るさの進化が著しい銀河がサイズの進化が著しいわけでもないため、2つのパラメータは独立した進化経路をたどっている可能性がある。
• 星の $ M/L $ 比には、赤方偏移に伴う系統的傾向が認められず、TFRの散らばり増加を説明する要因とはならない。これにより、非円形運動や軸ずれが散らばり増加の主な要因である可能性が高まる。
• 観測された明るさとサイズの進化は、冷たいガス降着および小規模合体を含む宇宙論的シミュレーションの予測と整合しており、時間経過に伴う外部降着による成長メカニズムを支持する。