[论文解读] MaNGA DynPop -- II. Global stellar population, gradients, and star-formation histories from integral-field spectroscopy of 10K galaxies: link with galaxy rotation, shape, and total-density gradients

Shengdong Lu, Kai Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本研究利用积分场光谱数据，分析了来自MaNGA巡天的约10,000个星系的恒星族、径向梯度及恒星形成历史，将这些特性与星系的旋转、形状及总密度结构相联系。研究发现，在固定速度 dispersion 下，较年轻的星系具有更低的金属丰度；高旋转星系表现出更平缓的恒星族梯度，而大质量、熄灭的星系则显示出强烈的负年龄和金属丰度梯度，与星系核球-盘面演化一致。

ABSTRACT

This is the second paper of the MaNGA DynPop series, which analyzes the global stellar population, radial gradients, and non-parametric star-formation history of $\sim 10$K galaxies from the MaNGA Survey final data release 17 (DR17) and relates them with dynamical properties of galaxies. We confirm the correlation between the stellar population properties and the stellar velocity dispersion $σ_{ m e}$, but also find that younger galaxies are more metal-poor at fixed $σ_{ m e}$. Stellar age, metallicity, and mass-to-light ratio $M_{\ast}/L$ all decrease with increasing galaxy rotation, while their radial gradients become more negative (i.e. lower value at the outskirts). The exception is the slow rotators, which also appear to have significantly negative metallicity gradients, confirming the mass-metallicity gradient correlation. Massive disk galaxies in the green valley, on the $(σ_{ m e}, m Age)$ plane, show the most negative age and metallicity gradients, consistent with their old central bulges surrounded by young star-forming disks and metal-poor gas accretion. Galaxies with high $σ_{ m e}$, steep total mass-density slope, low dark matter fraction, high $M_{\ast}/L$, and high metallicity have the highest star-formation rate at earlier times, and are currently quenched. We also discover a population of low-mass star-forming galaxies with low rotation but physically distinct from the massive slow rotators. A catalogue of these stellar population properties is provided publicly.

研究动机与目标

• 研究来自MaNGA DR17的约10,000个星系的全局恒星族特性、径向梯度及非参数化恒星形成历史。
• 探讨恒星族特性与动力学参数（如恒星速度 dispersion、旋转和总质量密度斜率）之间的关联。
• 考察星系形态（例如慢速与快速旋转体）和结构特性如何影响恒星族梯度与熄灭历史。
• 识别在质量-大小平面与动力学参数空间中恒星形成历史与质量聚集的系统性变化。
• 为天体物理学界提供一份公开的、高保真度的恒星族与恒星形成历史特性目录。

提出的方法

• 使用ppxf算法进行全谱拟合，从MaNGA IFU数据中推导出光度加权的恒星族参数（年龄、金属丰度、M*/L）。
• 通过在星系中同心环状区域拟合恒星族参数，测量恒星族特性的径向梯度。
• 采用非参数化、贝叶斯拟合方法对全谱能量分布进行重构，捕捉随时间变化的恒星形成率（SFR）与金属丰度演化。
• 从动力学与结构模型中推导出星系的动力学特性，如速度 dispersion（σₑ）、旋转（λRₑ）、总密度斜率（γ_tot）及暗物质分数。
• 将恒星族特性及其梯度映射至(ε, λRₑ)平面，研究观测几何与旋转对趋势的影响。
• 通过质量聚集的回溯时间分析（t₅₀, t₉₀）与SFR演化，识别统计相关性与熄灭边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大样本、多样化星系中，恒星族特性（年龄、金属丰度、M*/L）与星系旋转及速度 dispersion 之间有何相关性？
• RQ2 恒星族的径向梯度与总密度斜率、暗物质分数等星系结构参数之间存在何种关系？
• RQ3 快速旋转与慢速旋转星系的恒星形成历史有何差异？大质量系统中熄灭的驱动力是什么？
• RQ4 观测几何（倾角）与形态类型在多大程度上影响观测到的恒星族梯度？
• RQ5 是否能建立一个统一框架，解释星系中恒星族、运动学与质量聚集的共同演化？

主要发现

• 在固定σₑ下，较年轻的星系具有更低的金属丰度，挑战了简单的年龄-金属丰度退化假设。
• 恒星年龄、金属丰度与M*/L均随星系旋转增强而减小，且其径向梯度变得更负（即向外衰减更陡）。
• 慢速旋转星系表现出显著负的金属丰度梯度，证实了质量-金属丰度梯度的相关性。
• 位于绿色山谷中的大质量盘状星系展现出最负的年龄与金属丰度梯度，与古老中心核球和年轻、低金属丰度的吸积盘一致。
• 具有高σₑ、陡峭总密度斜率（γ_tot ≳ 2.1）、低暗物质分数、高M*/L与高金属丰度的星系，其早期恒星形成率较高，并在约24亿年前被熄灭。
• 识别出一类低质量、低旋转、正在形成恒星的星系，其物理特性与大质量慢速旋转星系明显分离。