[论文解读] GEMS: The Size Evolution of Disk Galaxies

M. Barden, Hans-Walter Rix+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2005

Astronomy and Astrophysical Research被引用 142

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜成像和GEMS巡天的光度红移数据，分析了自 z ≈ 1 以来盘状星系的大小演化。研究发现，星等-大小关系存在显著演化（在星系自参考V波段亮度增加约1 mag arcsec⁻²），但对 log(M/M☉) ≳ 10 的星系，其恒星质量-大小关系无显著演化，表明星系为由内而外的盘状增长，而非如简单模型所预测的与晕的virial半径成比例扩展。

ABSTRACT

We combine HST imaging from the GEMS survey with photometric redshifts from COMBO-17 to explore the evolution of disk-dominated galaxies since z<1.1. The sample is comprised of all GEMS galaxies with Sersic indices n<2.5, derived from fits to the galaxy images. We account fully for selection effects through careful analysis of image simulations; we are limited by the depth of the redshift and HST data to the study of galaxies with absolute magnitudes M(V)10. We find strong evolution in the magnitude-size scaling relation for galaxies with M(V)10 over the same time interval. This is strongly inconsistent with the most naive theoretical expectation, in which disk size scales in proportion to the halo virial radius, which would predict that disks are a factor of two denser at fixed mass at z=1. The lack of evolution in the stellar mass-size relation is consistent with an ``inside-out'' growth of galaxy disks on average (galaxies increasing in size as they grow more massive), although we cannot rule out more complex evolutionary scenarios.

研究动机与目标

• 研究过去80亿年（z ≈ 1 至 z ≈ 0）盘状星系尺度关系——特别是星等-大小关系与恒星质量-大小关系——的演化。
• 通过使用来自GEMS巡天、Sérsic指数 n < 2.5 的大而定义清晰的盘状主导星系样本，解决先前研究中相互矛盾的结果。
• 通过详细的图像模拟和红移依赖的表面亮度校正，考虑选择效应和完备性限制的影响。
• 检验冷暗物质模型的预测：即盘状星系的大小应与晕的virial半径成比例，意味着在 z ≈ 1 时，固定质量下大小应减小两倍。

提出的方法

• 样本包含约5,700个来自GEMS巡天的盘状主导星系，其Sérsic指数 n < 2.5，通过图像拟合识别盘状形态。
• 利用COMBO-17巡天的光度红移数据确定红移和星系自参考波段的星等，对颜色项和K校正进行仔细校准。
• 采用图像模拟来建模检测完备性，并对选择效应进行校正，特别是针对表面亮度和星等极限的影响。
• 通过关系式 μ_V^50% = m_z^app,50% + [m_V^rest - m_z] - 10 log(1+z) 推导出星系自参考V波段的表面亮度和恒星质量-光度比，以考虑宇宙学消光效应。
• 在红移分箱中计算平均表面亮度 〈μ_V(z)〉 和平均恒星质量面密度 〈log Σ_M(z)〉，并校正星等和红移依赖的完备性。
• 通过改变星等和质量极限评估结果的稳健性，确认尽管星等-大小关系的斜率导致绝对数值发生偏移，但相对趋势保持稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 自 z ≈ 1 至现今，盘状星系的星等-大小关系如何演化？
• RQ2 在过去的80亿年中，对于 log(M/M☉) ≳ 10 的盘状星系，其恒星质量-大小关系是否存在可测量的演化？
• RQ3 选择效应和完备性限制在多大程度上会偏差对高红移盘状星系表面亮度和大小演化的估计？
• RQ4 观测到的演化是否与冷暗物质模型的预测相矛盾：即盘状星系大小应与晕的virial半径成比例？
• RQ5 质量-大小关系无演化意味着什么，关于驱动盘状星系增长的物理机制？

主要发现

• 星等-大小关系表现出显著演化，星系自参考V波段的表面亮度从 z ≈ 1 到 z ≈ 0 增加了约1 mag arcsec⁻²，表明在更高红移时星系盘更紧凑。
• 尽管存在表面亮度演化，但对于 log(M/M☉) ≳ 10 的星系，其恒星质量-大小关系无显著演化，表明星系在质量增长的同时也同步扩展尺寸。
• z ≈ 1 时的星系比本地星系更蓝，且恒星质量-光度比更低，表明存在持续的恒星形成，且其物理性质正在演化。
• 质量-大小关系无演化的事实与朴素的CDM模型预测相矛盾：即由于晕的virial半径更小，z ≈ 1 时星系盘应更致密。
• 结果与由内而外增长模型一致，即星系盘在质量增长的同时随时间扩展尺寸，尽管更复杂的演化情景尚不能被完全排除。
• 分析确认，只要星等的动态范围得以保持，结果对星等和质量极限的变化具有稳健性，且通过基于模拟的完备性校正，选择效应得到了良好控制。