[논문 리뷰] No evidence for evolution in the typical rest-frame UV sizes or morphologies of L_* galaxies at 4<z<8

Emma Curtis-Lake, R. J. McLure외 14명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 CANDELS, HUDF 및 병렬 영역의 깊은 이미징을 이용해 4<z<8에서 L* 은하의 휴면 프레임 UV 크기와 형태를 분석한다. 크기 분포를 로그노멀 피크로 모델링하고 측정 편향을 보정함으로써, 밝은 은하에 대해 크기(n = -0.31 ± 0.26)나 형태에 있어 우주 시간에 따른 유의미한 진화가 없음을 발견하였으며, 이는 고적색편이 은하가 증가하는 관측 시점에 비해 z~4의 대응체와 구조적으로 유사하게 보임을 시사한다.

ABSTRACT

We present the results of a study investigating the sizes and morphologies of redshift 4<z<8 galaxies in the CANDELS GOODS-S, HUDF and HUDF parallel fields. Based on non-parametric measurements and incorporating a careful treatment of measurement biases, we quantify the typical size of galaxies at each redshift as the peak of the log-normal size distribution, rather than the arithmetic mean size. Parameterizing the evolution of galaxy half-light radius as r_50\propto(1+z)^n, we find n=-0.31+/-0.26 at bright UV-luminosities (0.3L_*(z=3)<L<L_*) and n=-0.61+/-0.53 at faint luminosities (0.12L_*<L<0.3L_*). Furthermore, simulations based on artificially redshifting our z~4 galaxy sample show that we cannot reject the null hypothesis of no size evolution. This result is fundamentally caused by the systematic under-estimation of the largest galaxy sizes and the size-dependent completeness of high redshift samples. To explore the evolution of galaxy morphology we first compare asymmetry measurements to those from a large sample of simulated single S\'ersic profiles, in order to robustly categorise galaxies as either `smooth' or `disturbed'. Comparing the disturbed fraction amongst bright (MUV <= -20) galaxies at each redshift to that obtained by artificially redshifting our z~4 galaxy sample, while carefully matching the size and UV-luminosity distributions, we find no clear evidence for evolution in galaxy morphology over the redshift interval 4<z<8. Therefore, based on our results, a bright (MUV <= -20) galaxy at z~6 is no more likely to be measured as `disturbed' than a comparable galaxy at z~4.

연구 동기 및 목표

• 4<z<8에서 L* 은하가 z~4 은하와 비교해 휴면 프레임 UV 크기 및 형태에 대해 측정 가능한 진화를 보이는지 조사하기.
• 특히 큰 크기의 과소평가 및 크기 의존적 완전성과 같은 고적색편이 은하 크기 측정의 체계적 편향을 다루기.
• 적색편이가 증가함에 따라 형태적 교란(비대칭성)이 증가하는지 확인하여, 더 높은 적색편이에서 더 높은 융합률 또는 구조적 불안정성을 시사할 수 있는지 조사하기.
• 실제 데이터를 z~4 은하와 동일한 빛의 세기 및 크기 분포를 가진 인위적 적색편이 z~4 은하와 비교하여 진화가 없는 근본가설을 검증하기.
• 산술 평균이 아닌 로그노멀 크기 분포의 피크를 사용해 체계적 편향을 보정한 신뢰할 수 있는 은하 크기 진화 측정을 제공하기.

제안 방법

• 왜곡된 분포에서 평균보다 더 잘 typical 크기를 표현하는 로그노멀 크기 분포의 피크를 사용해 은하 크기를 정량화하기.
• r_50 ∝ (1+z)^n에서 r_50은 반광원 반경임을 고려해, 4<z<8 기간 동안의 크기 진화를 정량화하기.
• 비모수적 측정법(예: 기니 계수, M_{20})을 사용하고 단일-세르시 프로파일 시뮬레이션과 비교해 은하를 '매끄럽다' 또는 '교란됨'으로 분류하는 데 유의미하게 사용하기.
• 실제 고적색편이 관측을 시뮬레이션하기 위해 z~4 은하 샘플을 인위적으로 적색편이시켜 합성 은하 샘플을 생성하고, 크기 및 UV 빛의 세기 분포를 일치시키기.
• 노이즈, PSF 열악화, 소스 탐지 한계를 포함한 전체 관측 과정을 시뮬레이션하여 측정 편향을 보정하기.
• 실제 고적색편이 샘플의 교란 비율을 인위적 적색편이 z~4 샘플의 교란 비율과 비교하여 진화가 없는 근본가설을 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4<z<8에서 L* 은하가 z~4 은하와 비교해 휴면 프레임 UV 반광원 반경에 대해 측정 가능한 진화를 보이는가?
• RQ2 적색편이가 증가함에 따라 형태적 비대칭성이 증가하는가? 이는 더 높은 적색편이에서 더 높은 융합률 또는 구조적 불안정성을 시사할 수 있는가?
• RQ3 특히 큰 크기의 과소평가 및 크기 의존적 완전성과 같은 측정 편향이 크기 진화 탐지에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 고적색편이에서 관측된 크기 및 형태 분포는 우주 시간에 따라 z~4 은하의 단순 외삽으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 고적색편이 설문조사에서 산술 평균보다 로그노멀 크기 분포의 피크가 더 신뢰할 수 있는 일반 은하 크기 추정치인가?

주요 결과

• 밝은 L* 은하(0.3L* < L < L*)의 크기 진화는 변화 없음을 시사하며, 파워 법칙 피팅 r_50 ∝ (1+z)^n에서 n = -0.31 ± 0.26이다.
• 더 어두운 은하(0.12L* < L < 0.3L*)의 경우 크기 진화는 더욱 제약이 적으며, n = -0.61 ± 0.53으로 여전히 변화 없음을 시사한다.
• z~4 은하 샘플을 인위적으로 적색편이시켜 만든 시뮬레이션은 관측된 데이터가 크기 진화가 없는 근본가설을 기각할 수 없음을 보여준다.
• 검출되지 않은 진화의 주요 원인은 고적색편이 샘플에서 가장 큰 은하 크기의 체계적 과소평가 및 크기 의존적 완전성에 기인한다.
• 밝은(MUV ≤ -20) 은하 중 '교란됨'으로 분류된 비율은 z~4에서 z~6로의 시간에 걸쳐 유의미한 변화가 없으며, 이는 시간이 지남에 따라 형태적 비정상성이 증가하지 않음을 시사한다.
• z~6에서 밝은 은하가 z~4의 유사한 은하보다 '교란됨'으로 측정될 가능성이 더 높지 않으며, 이는 우주의 시간에 걸쳐 구조적 안정성이 유지됨을 지지한다.