[論文レビュー] The KMOS Deep Survey (KDS) II: The evolution of the stellar-mass Tully-Fisher relation since z ~ 4

O. J. Turner, C. M. Harrison+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z ≈ 4 以降の星質量Tully-Fisher関係の進化に関する矛盾を解消するために、圧力補正済みの全速度 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $ を導入し、回転支配型と速度分散支配型の銀河を統合した。$ z \geq 1 $ で局所的関係と比較して全速度ゼロポイントに +0.12 デキシットの一致したオフセットが得られ、宇宙時間に伴い星形成質量と動的質量比が安定して低下していることを示唆している。

ABSTRACT

We use KMOS Deep Survey (KDS) galaxies, combined with results from a range of spectroscopic studies in the literature, to investigate the evolution of the stellar-mass Tully-Fisher relation since z ~ 4. We determine the slope and normalisation of the local rotation-velocity -- stellar-mass (Vc - $M_{\star}$) relationship using a reference sample of local spiral galaxies; thereafter we fix the slope, and focus on the evolution of velocity normalisation with redshift. The rotation-dominated KDS galaxies at z ~ 3.5 have rotation velocities ~ -0.1 dex lower than local reference galaxies at fixed stellar mass. By fitting 16 distant comparison samples spanning 0 < z < 3 (containing ~ 1200 galaxies), we show that the size and sign of the inferred Vc offset depends sensitively on the fraction of the parent samples used in the Tully-Fisher analysis, and how strictly the criterion of 'rotation dominated' is enforced. Confining attention to subsamples of galaxies that are especially 'disky' results in a consistent positive offset in Vc of ~ +0.1 dex, however these galaxies are not representative of the evolving-disk population at z > 1. We investigate the addition of pressure support, traced by intrinsic velocity dispersion ($σ_{int}$) to the KDS dynamical mass budget by adopting a 'total' effective velocity of form $V_{tot} = (Vc^{2} + 4.0σ_{int}^{2})^{0.5}$. The rotation-dominated and dispersion-dominated KDS galaxies fall on the same locus in the total-velocity versus stellar-mass plane, removing the need for debate over the precise selection threshold for rotation-dominated galaxies. The comparison sample offsets are in the range +0.08 to +0.15 dex in total-velocity zero-point (-0.30 to -0.55 dex in stellar-mass zero-point) from the local Tully-Fisher relation at z > 1, consistent with steady evolution of the ratio of dynamical to stellar mass with cosmic time.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移 (z ≈ 4) における星質量Tully-Fisher関係の進化に関する、矛盾する文献結果を解消すること。
• 特に $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ が大きな回転支配型銀河の選択基準によって生じるバイアスを是正すること。
• 回転速度と圧力支持の両方を考慮した、回転支配型と速度分散支配型の銀河を統合する1つの動的質量推定器を構築すること。
• 観測されたTully-Fisher関係の進化が、星形成質量対動的質量比の真の変化であるのか、選択バイアスの結果であるのかを特定すること。
• 高赤方偏移銀河の運動学的成熟度と、動的スケーリング関係の解釈へのその影響を評価すること。

提案手法

• 近傍のスパイラル銀河のリファレンスサンプルを用いて局所的 $ V_C $–$ M_\star $ 関係を確立し、比較のための傾きを固定した。
• 動的質量予算に回転速度と圧力支持の両方を含めるために、全速度 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $ を定義した。
• KMOS Deep Survey (KDS) の銀河に全速度関係を適用し、サンプルカットなしで一貫した解析を可能にした。
• KDSデータに加え、$ 0 < z < 3 $ をカバーする16の外部分光的サンプルを組み合わせ、$ V_C/\sigma_{\text{int}} $ を主な選択基準とした。
• 全サンプルにわたる全速度対星質量関係をフィットし、局所的Tully-Fisher関係とのゼロポイントオフセットを比較した。
• バーリア質量推定値を用いて、特に速度分散支配型システムにおいて $ \sigma_{\text{int}} $ が顕著な動的成分として含まれることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ以前の研究では $ z \geq 1 $ における星質量Tully-Fisher関係の進化傾向について矛盾した結果が報告されているのか？
• RQ2 特に $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ の閾値に基づくサンプル選択が、Tully-Fisher関係の推定された進化にどの程度バイアスをもたらすのか？
• RQ3 圧力支持を含む統合的動的質量推定器は、高赤方偏移における星形成銀河の運動学的多様性を統一的に解釈できるか？
• RQ4 観測されたTully-Fisher関係の進化は、星形成質量対動的質量比の真の変化を反映しているのか、それとも選択バイアスの結果なのか？
• RQ5 全速度–$ M_\star $ 関係は $ z \approx 4 $ から現在にかけてどのように進化し、銀河質量の蓄積に何を示唆するのか？

主な発見

• 回転速度–$ M_\star $ 関係における速度オフセットは、サンプル選択に強く依存しており、$ V_C $ 支配型サンプルでは $ z \approx 3.5 $ で $-0.1$ デキシットのオフセットを示すが、より代表的なサンプルでは顕著なオフセットは認められない。
• 圧力補正済み全速度 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $ を導入することで、回転支配型と速度分散支配型の銀河が $ V_{\text{tot}} $–$ M_\star $ 平面上で1つのシーケンスに統合された。
• KDSサンプルでは、局所的Tully-Fisher関係からの全速度ゼロポイントに $+0.14$ デキシットのオフセットが認められ、$ z \approx 4 $ 以降にわたり星形成質量対動的質量比が安定して低下していることを示唆している。
• 16の比較サンプルに全速度–$ M_\star $ 関係を適用した結果、$ z \geq 1 $ で速度ゼロポイントに平均 $+0.12$ デキシットのオフセット（または $ M_\star $ ゼロポイントに $-0.45$ デキシットのオフセット）が得られ、連続的な進化と整合的である。
• データは、$ z \approx 4 $ から現在にかけて $ M_\star / M_{\text{dyn}} $ 確率比が安定して低下しているシナリオと整合的であるが、$ 1 < z < 4 $ で一定の比を保ち、その後に低下するシナリオも除外できない。
• $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ に依存するTully-Fisherオフセットの強い依存性は、高赤方偏移銀河が運動学的に未熟であり、動的質量に顕著な圧力支持が寄与していることを強調している。