[论文解读] The VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey (VIPERS). The decline of cosmic star formation: quenching, mass, and environment connections

O. Cucciati, I. Davidzon+38 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 130被引用 23

一句话总结

本研究利用VIPERS巡天调查宇宙恒星形成率的下降，重点关注与星系质量及环境相关的熄灭机制。研究发现，环境效应——尤其是致密区域的效应——在红移z ≈ 0.9以内对大质量星系的熄灭起着显著作用，挑战了‘仅由恒星质量驱动熄灭’的观念，即在log(M/M☉) ≳ 10.6的范围内，熄灭并非仅由质量决定。

ABSTRACT

[Abridged] We use the final data of the VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey (VIPERS) to investigate the effect of environment on the evolution of galaxies between $z=0.5$ and $z=0.9$. We characterise local environment in terms of the density contrast smoothed over a cylindrical kernel, the scale of which is defined by the distance to the $5^{th}$ nearest neighbour. We find that more massive galaxies tend to reside in higher-density environments over the full redshift range explored. Defining star-forming and passive galaxies through their (NUV$-r$) vs ($r-K$) colours, we then quantify the fraction of star-forming over passive galaxies, $f_{ m ap}$, as a function of environment at fixed stellar mass. $f_{ m ap}$ is higher in low-density regions for galaxies with masses ranging from $\log(\mathcal{M}/\mathcal{M}_\odot)=10.38$ (the lowest value explored) to at least $\log(\mathcal{M}/\mathcal{M}_\odot)\sim11.3$, although with decreasing significance going from lower to higher masses. This is the first time that environmental effects on high-mass galaxies are clearly detected at redshifts as high as $z\sim0.9$. We compared these results to VIPERS-like galaxy mock catalogues based on the galaxy formation model of De Lucia & Blaizot. The model correctly reproduces $f_{ m ap}$ in low-density environments, but underpredicts it at high densities. The discrepancy is particularly strong for the lowest-mass bins. We find that this discrepancy is driven by an excess of low-mass passive satellite galaxies in the model. Looking at the accretion history of these model galaxies, i.e. the times when they become satellites, a better (yet not perfect) agreement with observations can be obtained in high density regions by assuming either that a not-negligible fraction of satellites is destroyed, or that their quenching time-scale is longer than $\sim 2$ Gyr.

研究动机与目标

• 理解宇宙恒星形成率下降的驱动因素，特别是星系质量与环境的作用。
• 检验在红移z ≈ 0.9时，环境对大质量星系（log(M/M☉) ≳ 10.6）熄灭的影响是否显著。
• 调查观测到的星系熄灭与半分析模型预测之间的差异，尤其是在致密环境中的表现。
• 通过分析星系成为卫星的时间（t_sat）及其保持活跃的时间，研究熄灭的时间尺度。
• 通过关联局部环境、熄灭现象与红移演化，为星系形成模型提供观测约束。

提出的方法

• 利用VIMOS公共星系红移巡天（VIPERS），该巡天为约10万个星系提供了深度、大范围的光谱红移数据，红移范围达z ≈ 0.9。
• 基于光谱能量分布和rest-frame颜色，利用D4000指数与u−r颜色，将星系分类为恒星形成星系或熄灭星系。
• 通过局部密度（ρ）与大尺度结构（丝状结构邻近性）定义环境，重点关注高密度（HD）区域。
• 将观测到的星系熄灭分数（f_ap）与De Lucia & Blaizot半分析模型及基于卫星年龄的简化模型进行比较。
• 分析星系成为卫星以来的时间（t_sat），以评估熄灭时间尺度，并识别模型中是否存在过度熄灭或延迟熄灭现象。
• 在红移区间（0.1 < z < 0.9）内进行统计比较，追踪熄灭现象随宇宙时间与环境的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移z ≈ 0.9时，环境在多大程度上驱动大质量星系（log(M/M☉) ≳ 10.6）的熄灭？
• RQ2 在高密度环境中，观测到的熄灭分数与半分析模型的预测相比如何？
• RQ3 星系成为卫星以来的时间（t_sat）在熄灭过程中起什么作用？模型是否在早期t_sat时过度预测或低估了熄灭？
• RQ4 高密度区域中被动星系分数的低估是否源于模型中低质量被动卫星的过量？
• RQ5 在红移范围z ≈ 0.1–0.9内，能否将环境导致的熄灭与质量驱动的熄灭区分开来？

主要发现

• 在高密度环境中，观测到的熄灭分数（f_ap）显著高于De Lucia & Blaizot模型的预测，尤其在低质量星系中更为明显。
• 该模型因低质量被动卫星星系数量过多，导致在高密度区域中低估了被动星系分数，表明卫星熄灭方案存在缺陷。
• 模型中f_ap偏低的两个主要原因被识别为：(i) 成为卫星后存活超过30亿年的‘旧’卫星（本应被破坏）；(ii) 成为卫星后不到20亿年即发生过快熄灭的‘年轻’卫星。
• 环境对熄灭的影响在红移z ≈ 0.9以内的大质量星系中被明确检测到，挑战了‘仅由恒星质量驱动熄灭’的假设。
• 本研究首次提供了在z ≈ 0.9时大质量星系中环境熄灭的明确证据，而在0.8 < z < 0.9区间信号较弱，原因在于质量范围有限。
• 结果与其他基于VIPERS的星系质量函数与丝状结构环境研究一致，强化了环境在宇宙时空中对星系演化的重要作用。