[論文レビュー] The LEGA-C and SAMI Galaxy Surveys: Quiescent Stellar Populations and the Mass-Size Plane across 6 Gyr

Tania M. Barone, Francesco D’Eugenio+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 163被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、LEGAC (z ≈ 0.7) および SAMI (z ≈ 0.05) データを用いて、60億年間にわたる静止銀河の星族の進化を調査する。金属量と質量/半径比 (M/Rₑ) の相関が高赤方偏移および低赤方偏移の両方で確認され、重力的ポテンシャルが金属の保持を制御する要因であることを支持する。一方、年齢–表面密度関係 (年齢 vs. M/R²ₑ) は低赤方偏移でのみ顕在化する。これは赤方偏移依存の消滅閾値に起因する。

ABSTRACT

We investigate the change in mean stellar population age and metallicity ([Z/H]) scaling relations for quiescent galaxies from intermediate redshift ($0.60\leq z\leq0.76$) using the LEGA-C Survey, to low redshift ($0.014\leq z\leq0.10$) using the SAMI Galaxy Survey. We find that, similarly to their low-redshift counterparts, the stellar metallicity of quiescent galaxies at $0.60\leq z\leq 0.76$ closely correlates with $M_*/R_\mathrm{e}$ (a proxy for the gravitational potential or escape velocity), in that galaxies with deeper potential wells are more metal-rich. This supports the hypothesis that the relation arises due to the gravitational potential regulating the retention of metals, by determining the escape velocity required by metal-rich stellar and supernova ejecta to escape the system and avoid being recycled into later stellar generations. On the other hand, we find no correlation between stellar age and $M_*/R_\mathrm{e}^2$ (stellar mass surface density $\Sigma$) in the LEGA-C sample, despite this being a strong relation at low redshift. We consider this change in the age--$\Sigma$ relation in the context of the redshift evolution of the star-forming and quiescent populations in the mass--size plane, and find our results can be explained as a consequence of galaxies forming more compactly at higher redshifts, and remaining compact throughout their evolution. Furthermore, galaxies appear to quench at a characteristic surface density that decreases with decreasing redshift. The $z\sim 0$ age--$\Sigma$ relation is therefore a result of building up the quiescent and star-forming populations with galaxies that formed at a range of redshifts and so a range of surface densities.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたる静止銀河における星族の性質（年齢および金属量）の進化を理解すること。
• 年齢、金属量、構造的パラメータ（質量およびサイズ）の間のスケーリング関係が赤方偏移にかかわらず一貫しているかどうかを検証すること。
• 質量–サイズ平面における個別銀河の進化と集団的傾向の影響を分離すること。
• 重力的ポテンシャルおよび表面密度が静止銀河における消滅および金属増幅をどのように制御するかを調査すること。

提案手法

• LEGAC (0.60 ≤ z ≤ 0.76) および SAMI (0.014 ≤ z ≤ 0.10) の1,000個以上の静止銀河の空間的に統合された星族パラメータ（年齢、[Z/H]）を比較する。
• 銀河質量 (M*) および動的質量プロキシ（M_D ∝ σ²R_e）を用いて質量–サイズ平面を調査する。
• 年齢と M/R²ₑ（表面密度）の間のスケーリング関係、金属量と M/Rₑ（ポテンシャルプロキシ）の関係を分析する。
• 統計的モデリングを用いて質量–サイズ関係の赤方偏移による進化と、年齢–表面密度傾向への影響を評価する。
• 両調査にわたる一貫性のある画像および分光的還元手法を適用し、赤方偏移間の比較可能性を確保する。
• 宇宙論的モデルおよびアパーチャー補正済み測定値を用いて、全銀河星族特性を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の赤方偏移 (z ≈ 0.7) において、金属量–質量/半径比 (M/Rₑ) 関係は維持されるか？
• RQ2 z ≈ 0.7 では年齢–表面密度 (M/R²ₑ) 関係が存在しないのにもかかわらず、z ≈ 0 では存在する理由は何か？
• RQ3 質量–サイズ平面の赤方偏移による進化が、低赤方偏移における観測された年齢–表面密度関係にどのように影響するか？
• RQ4 重力的ポテンシャルが静止銀河における金属量および消滅を制御する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ5 低赤方偏移における年齢–表面密度関係は、異なる赤方偏移および表面密度で消滅した銀河の蓄積的効果に起因するか？

主な発見

• [Z/H]–M/Rₑ 関係は z ≈ 0.7 においても存在し、より深い重力的ポテンシャル井戸が高い金属量と相関することを確認した。
• 年齢–M/R²ₑ 関係は z ≈ 0.7 には存在しない。これは高赤方偏移の静止銀河では表面密度が年齢を制御しないことを示唆する。
• 静止銀河の質量–サイズ関係の勾配は z ≈ 0.7 で ≈0.5 であり、低下する切片とともに平坦な M/Σ 関係を示す。
• 銀河は赤方偏移依存の閾値表面密度で消滅し、高赤方偏移ではより高い閾値を示す。
• 低赤方偏移における年齢–M/R²ₑ 関係は、さまざまな赤方偏移および表面密度で消滅した銀河の合成的効果に起因する。
• 結果は、高赤方偏移ではよりコンactに形成され、その後顕著なサイズ成長を伴わず進化する銀河のシナリオを支持する。消滅は時間とともに減少する特徴的な表面密度で発生する。