[论文解读] Caught in the Act: The Assembly of Massive Cluster Galaxies at z=1.62

Jennifer M. Lotz, Casey Papovich+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用 5

一句话总结

本研究利用 CANDELS 项目提供的哈勃 WFC3 近红外成像，调查了红移 z=1.62 的高红移原星系团中大质量星系的快速形成过程。研究发现，42% 的原星系团大质量星系处于近距离双星系或具有双核结构——这一比例是场星系的十余倍，表明在致密环境中发生了加速的、主要为无耗散的并合过程，部分系统还存在双活动星系核，暗示致密环境中的早期剧烈增长。

ABSTRACT

We present the recent merger history of massive galaxies in a spectroscopically-confirmed proto-cluster at z=1.62. Using HST WFC3 near-infrared imaging from the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS), we select cluster galaxies and z ~ 1.6 field galaxies with M_star >= 3 x 10^10 M_sun, and determine the frequency of double nuclei or close companions with projected separations less than 20 kpc co-moving and stellar mass ratios between 1:1 and roughly 10:1. We find that four out of five spectroscopically-confirmed massive proto-cluster galaxies have double nuclei, and 42 +13/-25 % of all M_star >= 3 x 10^10 M_sun cluster candidates are either in close pair systems or have double nuclei. In contrast, only 4.5 +/- 2.6% of the field galaxies are in close pair/double nuclei systems. The implied merger rate per massive galaxy in the proto-cluster is 3-10 times higher than the merger rate of massive field galaxies at z ~ 1.6, depending upon the assumed mass ratios. Close pairs in the cluster have minor merger stellar mass ratios (M_primary:M_satellite ~ 6:1), while the field pairs are typically major mergers with stellar mass ratios between 1:1 and 4:1. At least half of the cluster mergers are dissipationless, as indicated by their red colors and low 24 micron fluxes. Two of the double-nucleated cluster members have X-ray detected AGN with L_x > 10^43 erg/s, and are strong candidates for dual or offset super-massive black holes. We conclude that the massive z = 1.62 proto-cluster galaxies are undergoing accelerated assembly relative to the field population, and discuss the implications for galaxy evolution in proto-cluster environments.

研究动机与目标

• 理解在高红移（z≈1.62）致密原星系团环境中大质量星系的形成与演化过程。
• 检验原星系团中的大质量星系是否相比场星系经历更快速的并合驱动组装。
• 确定驱动这些星系增长的并合性质（主要与次要、干式与湿式）。
• 评估活动星系核（AGN）活动与星暴在原星系团内并合系统中的作用。
• 评估星系团的致密化是否可能调节或中止中心星系的进一步质量增长。

提出的方法

• 利用哈勃望远镜 WFC3 近红外成像（来自 CANDELS 巡天）识别红移 z=1.62 的光谱确认原星系团中大质量星系（M_star ≥ 3×10^10 M_sun）。
• 测量投影距离小于 20 kpc（共动距离）及恒星质量比（1:1 至 10:1），以分类双核结构与近距离伴星。
• 比较原星系团星系与相同红移和恒星质量的场星系的并合频率。
• 利用 SED 拟合与 24 μm 流量测量，将并合分类为无耗散型（红色，24 μm 流量低）或星暴型（蓝色，24 μm 流量高）。
• 在双核系统中识别 X 射线探测到的 AGN（L_X > 10^43 erg s⁻¹），以搜索双黑洞或偏移的超大质量黑洞。
• 评估并合 timescale 与质量增长需求，以检验与分层星系形成模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与场星系相比，z=1.62 原星系团中大质量星系的近距离双星系与双核结构的频率如何？
• RQ2 原星系团中并合的质量比分布是怎样的？与场星系的并合有何不同？
• RQ3 基于颜色与 24 μm 流量，观测到的并合主要是干式（无耗散）还是湿式（星暴）？
• RQ4 是否存在双核结构的星系团成员星系拥有双 AGN 或偏移 AGN，表明超大质量黑洞正在并合？
• RQ5 原星系团中观测到的并合率是否足以支撑至今（z≈0.8）大质量星系团星系的质量增长？

主要发现

• 在 M_star ≥ 3×10^10 M_sun 的原星系团星系中，42% 处于近距离双星系或具有双核结构，而 z≈1.6 的场星系中仅占 4.5%。
• 五分之四的光谱确认的大质量原星系团星系显示双核结构，表明并合比例极高。
• 近距离星系团双星系主要为次要并合（质量比约 6:1），而场星系双星系通常为主要并合（质量比 1:1 至 4:1）。
• 至少一半的星系团并合为无耗散型，表现为红色颜色与低 24 μm 流量。
• 两个双核星系成员拥有 X 射线探测到的 AGN（L_X > 10^43 erg s⁻¹），表明存在双黑洞或偏移的超大质量黑洞。
• 原星系团的并合率比场区高 3 至 10 倍，表明致密环境驱动了加速的质量增长。