[論文レビュー] Integral Field Spectroscopy based Hα sizes of local Luminous and Ultraluminous Infrared Galaxies. A Direct Comparison with high-z Massive Star Forming Galaxies

Santiago Arribas, L. Colina+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 80被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z ~ 2 の高赤方偏移（z ~ 2）の質量的星形成銀河（SFGs）と同等のH𝛼全放射光度と物理的スケールを持つ26個の局所的明るいおよび超明るい赤外銀河（U/LIRGs）について、積分場分光法を用いてH𝛼線幅と表面輝度を直接比較した。その結果、約59％の局所的U/LIRGsが縮退したH𝛼領域（r₁/₂ < 2 kpc）を示す一方で、顕著な割合（約33％）は高赤方偏移SFGsと同程度に広がっており、サイズのみではそれらを区別できないことが示された。H𝛼表面密度関係では、TIR表面密度など他の tracer で観察されるような顕著な差異（1000倍以上）とは対照的に、わずかな差異（約10倍）しか認められなかった。

ABSTRACT

Aims. We study the analogy between local U/LIRGs and high-z massive SFGs by comparing basic Hα structural characteristics, such as size, and luminosity (and SFR) surface density, in an homogeneous way (i.e. same tracer and size definition, similar physical scales). Methods. We use Integral Field Spectroscopy based Hα emission maps for a representative sample of 54 local U/LIRGs (66 galaxies). From this initial sample we select 26 objects with Hα luminosities (L(Hα)) similar to those of massive (i.e. M\ast \sim 10^10 M\odot or larger) SFGs at z \sim 2, and observed on similar physical scales. Results. The sizes of the Hα emitting region in the sample of local U/LIRGs span a large range, with r1/2(Hα) from 0.2 to 7 kpc. However, about 2/3 of local U/LIRGs with Lir &gt; 10^11.4 L\odot have compact Hα emission (i.e. r1/2 &lt; 2 kpc). The comparison sample of local U/LIRGs also shows a higher fraction (59%) of objects with compact Hα emission than the high-z sample (25%). This gives further support to the idea that for this luminosity range the size of the star forming region is a distinctive factor between local and distant galaxies of similar SF rates. However, when using Hα as a tracer for both local and high-z samples, the differences are smaller than the ones recently reported using a variety of other tracers. Despite of the higher fraction of galaxies with compact Hα emission, a sizable group (\sim 1/3) of local U/LIRGs are large (i.e. r1/2 &gt; 2 kpc). These are systems showing pre-coalescence merger activity and they are indistinguishable from the massive high-z SFGs galaxies in terms of their Hα sizes, and luminosity and SFR surface densities.

研究の動機と目的

• H𝛼を一貫した物理的トレーサーおよびサイズ定義を用いて、局所的U/LIRGsと高赤方偏移の質量的星形成銀河（SFGs）との構造的類似性を評価すること。
• TIR や [CII] などの異なるトレーサーを用いた先行研究で報告された、局所的および高赤方偏移システム間の表面輝度差異（例：1000倍）の矛盾を解消すること。
• 均一に測定された条件下で、局所的U/LIRGsのH𝛼放射のサイズおよび表面輝度が、高赤方偏移SFGsと真に異なるものかどうかを特定すること。
• H𝛼放射が広がった局所的U/LIRGsが、構造的性質において高赤方偏移SFGsに類似しているかどうかを同定すること。
• 合体駆動星形成の文脈において、コンパクト性および表面密度が局所的U/LIRGsと高赤方偏移SFGsを区別する上で果たす役割を定量化すること。

提案手法

• INTEGRAL/WHTおよびVIMOS/VLT機器を用いて、66個の局所的U/LIRGsの高空間分解能積分場分光法（IFS）データを取得した。
• 赤方偏移 z ~ 2 の質量的（M⋆ ~ 10¹⁰ M⊙）高赤方偏移SFGsと同等のH𝛼全放射光度（L(H𝛼)）を持つ26個の局所的U/LIRGsのサブサンプルを選定し、物理的スケールが同等であることを保証した。
• H𝛼半光半径（r₁/₂）を2通りの独立した手法（A/2法および曲線成長法：CoG法）で測定し、観測系の広がり（PSF）を補正するためのデコンボリューションを施した。
• H𝛼放射の全放射光度およびサイズ測定値から、H𝛼全放射光度表面密度（ΣH𝛼）および星形成率（SFR）表面密度を計算した。
• 同一の定義と物理的スケールを用いて、局所的および高赤方偏移サンプルのH𝛼サイズおよび表面密度分布を直接かつ均一に比較した。
• 品質フラグおよび誤差補正（例：分解能が低いまたはノイズが多い場合の30–50％の誤差）を適用し、強力なAGN汚染または視野（FoV）が限られた対象は除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L(H𝛼)が高赤方偏移SFGsと同等の局所的U/LIRGsのH𝛼サイズは、高赤方偏移の質量的SFGsと顕著に異なるか？
• RQ2 同じトレーサーおよび測定法を用いて測定した場合、局所的U/LIRGsのH𝛼全放射光度表面密度（ΣH𝛼）は、高赤方偏移SFGsとどのように比較されるか？
• RQ3 局所的U/LIRGsのうち、H𝛼がコンパクトな放射（r₁/₂ < 2 kpc）を示す割合はどれくらいか？また、高赤方偏移SFGsと比較するとどうなるか？
• RQ4 H𝛼放射が広がった局所的U/LIRGs（r₁/₂ > 2 kpc）は、H𝛼サイズ–全放射光度平面において高赤方偏移SFGsと構造的性質が区別できないか？
• RQ5 TIR や [CII] などの他のトレーサーと比較して、H𝛼をトレーサーとして用いることで、局所的および高赤方偏移システム間の表面輝度差がどの程度小さくなるか？

主な発見

• 局所的U/LIRGsのH𝛼半光半径（r₁/₂）は、0.2 kpcから7 kpcの広い範囲を示し、L_IR > 10¹¹.⁴ L⊙ を満たす約2/3のシステムが、コンパクトな放射（r₁/₂ < 2 kpc）を示した。
• 比較サンプルの局所的U/LIRGsの59％がH𝛼放射がコンパクト（r₁/₂ < 2 kpc）である一方、高赤方偏移SFGサンプルではわずか25％にとどまり、コンパクト性に顕著な差が認められた。
• コンパクトな局所的システムの割合が高かろうとも、約1/3（33％）の局所的U/LIRGsがr₁/₂ > 2 kpcであり、H𝛼サイズおよび表面輝度において高赤方偏移SFGsと構造的に区別できない。
• L(H𝛼)–ΣH𝛼平面上では、局所的U/LIRGsと高赤方偏移SFGsの両者が類似した傾向を示し、約20–40％の局所的U/LIRGsで表面密度に10倍の差異しか認められず、他のトレーサーで観察される1000倍以上の差異とは著しく対照的であった。
• H𝛼表面密度における局所的および高赤方偏移システム間の差異は、他のトレーサーを用いた報告よりもはるかに小さく、H𝛼がより一貫性があり偏りの少ない比較を可能にしていると考えられる。
• H𝛼放射が広がった局所的U/LIRGsは、合体前の段階の活動を示しており、このようなシステムが質量的高赤方偏移SFGsと構造的および運動的性質で類似しているという仮説を支持している。