[论文解读] 3D spectroscopy with VLT/GIRAFFE: I- the true Tully Fisher relationship at z~0.6

H. Flores, F. Hammer+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2006

Astronomy and Astrophysical Research被引用 98

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/GIRAFFE的3D积分场光谱法测量红移z ~ 0.6处的Tully-Fisher关系，发现仅有35%的星系为旋转盘。先前基于狭缝光谱法研究报道的Tully-Fisher关系演化现象，被证明源于65%星系的动力学扰动，而非宇宙学演化；当仅考虑平稳旋转盘时，真实的Tully-Fisher关系在斜率、零点和色散上均未显示出演化。

ABSTRACT

A precise derivation of the evolution of the Tully Fisher is crucial to understand the interplay between dark matter and baryonic matter in cosmological models, Using 15 deployable integral field units of FLAMES/GIRAFFE at VLT, we have recovered the velocity fields of 35 galaxies at intermediate redshift (0.4 < z < 0.75). This facility is able to recover the velocity fields of almost all the emission line galaxies with Iab <=22.5 and W_0(OII)>=15A In our sample, we find only 35% rotating disks. These rotating disks produce a Tully-Fisher relationship (stellar mass or M_K versus V_max) which has apparently not evolved in slope, zero point and scatter since z=0.6. The only evolution found is a brightening of the B band luminosity of a third of the disks, possibly due to an enhancement of the star formation. The very large scatters found in previously reported Tully-Fisher relationships at moderate redshifts are caused by the numerous (65%) galaxies with perturbed or complex kinematics. Those galaxies include minor or major mergers, merger remnants and/or inflow/outflows and their kinematics can be easily misidentified by slit spectroscopy. Their presence suggests a strong evolution in the dynamical properties of galaxies during the last 7 Gyrs.

研究动机与目标

• 通过使用3D光谱法精确测量星系动力学，以解决中等红移（z ~ 0.6）处Tully-Fisher关系演化问题的矛盾结果。
• 确定Tully-Fisher关系——即光度或质量与旋转速度的关系——是否如先前狭缝光谱法研究所暗示的那样，自z ~ 0.6以来已发生演化。
• 查明中等红移处先前报道的Tully-Fisher关系中大色散的成因，特别是其源于仪器限制还是星系本身的动力学复杂性。
• 评估高红移星系的动力学状态，并量化非旋转或受扰动系统在传统基于狭缝的测量中所造成的污染比例。

提出的方法

• 使用甚大望远镜的FLAMES/GIRAFFE仪器中的15个可部署积分场单元（IFUs）进行3D光谱观测，实现空间分辨的速度场和速度 dispersion 场映射。
• 星系样本依据I_AB ≤ 22.5和W₀(OII) ≥ 15 Å筛选，以确保发射线可检测且信噪比足够。
• 从3D数据立方体重建速度场和σ-图，将星系分类为动力学类别：旋转盘、受扰动旋转或复杂/随机运动。
• 通过目视检查和结构标准对星系动力学进行分类，包括速度 dispersion 峰值偏移和光学轴与动力轴的对齐程度。
• 仅对具有平稳、盘状动力学的星系，利用恒星质量和K波段绝对星等（M_K）作为最大旋转速度（V_max）的函数，重构Tully-Fisher关系。
• 统计分析中排除了具有扰动动力学的星系（如并合、内流、外流等），以隔离动力学非平衡系统对Tully-Fisher关系的污染。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用3D光谱法测量时，Tully-Fisher关系在斜率、零点或色散上是否在z ~ 0.6与本地宇宙之间表现出演化？
• RQ2 先前报道的中等红移处Tully-Fisher关系中大色散的成因是什么——仪器限制还是内在动力学复杂性？
• RQ3 在高红移星系（z ~ 0.6）中，处于动力学平衡状态的旋转盘占多大比例？其动力学特性与本地星系相比如何？
• RQ4 并合、内流或外流在多大程度上扭曲旋转曲线，导致基于狭缝光谱法的研究出现误分类？
• RQ5 当仅考虑平稳旋转盘时，恒星质量或K波段光度的Tully-Fisher关系是否从z ~ 0.6到z = 0保持不变？

主要发现

• 在z ~ 0.6观测到的35个星系中，仅有35%为处于动力学平衡状态的旋转盘，表明多数（65%）表现出扰动或复杂动力学特征。
• 先前中等红移处Tully-Fisher关系中较大的色散主要源于受扰动动力学星系的污染，而非宇宙学演化。
• 当仅限于旋转盘时，与本地关系相比，Tully-Fisher关系在恒星质量和M_K星等上的斜率、零点和色散均未显示出演化。
• 在z ~ 0.6处，旋转盘的B波段光度平均比z = 0时亮0.3等，表明恒星形成活动增强了约1/3。
• 具有紧凑形态和低恒星质量的星系更可能表现出复杂动力学，包括内流/外流，其影响可能超过旋转运动。
• 在z ~ 0.6处，非旋转或非平衡系统的比例显著高于本地宇宙（MB < -19.5的星系中占36%），表明过去70亿年中经历了强烈的动力学演化。