[论文解读] Dense cores in galaxies out to z=2.5 in SDSS, UltraVISTA, and the five 3D-HST/CANDELS fields: number density, evolution, and the apparent need for efficient cooling at high redshift

Pieter van Dokkum, Rachel Bezanson+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用多波段巡天，在 z=2.5 以内的大质量星系中识别出致密的恒星核。研究发现，这些核主要形成于 z>2.5，且在 z~2 时贡献了宇宙总恒星质量的 10–20%。其数量密度因恒星质量损失和并合而下降。核的早期形成需要高效的局部冷却机制，以在约 1 kpc 的范围内将约 10^11 Msun 的气体转化为恒星，同时抑制大半径区域的恒星形成。

ABSTRACT

The dense interiors of massive galaxies are among the most intriguing environments in the Universe. In this paper we ask when these dense cores were formed and determine how galaxies gradually assembled around them. We select galaxies that have a stellar mass >3x10^10 Msun inside r=1 kpc out to z=2.5, using the 3D-HST survey and data at low redshift. Remarkably, the number density of galaxies with dense cores appears to have decreased from z=2.5 to the present. This decrease is probably mostly due to stellar mass loss and the resulting adiabatic expansion, with some contribution from merging. We infer that dense cores were mostly formed at z>2.5, consistent with their largely quiescent stellar populations. While the cores appear to form early, the galaxies in which they reside show strong evolution: their total masses increase by a factor of 2-3 from z=2.5 to z=0 and their effective radii increase by a factor of 5-6. As a result, the contribution of dense cores to the total mass of the galaxies in which they reside decreases from ~50% at z=2.5 to ~15% at z=0. Because of their early formation, the contribution of dense cores to the total stellar mass budget of the Universe is a strong function of redshift. The stars in cores with M_1kpc>3x10^10 Msun make up ~0.1% of the stellar mass density of the Universe today but 10%-20% at z~2, depending on their IMF. The formation of these cores required the conversion of ~10^11 Msun of gas into stars within ~1 kpc, while preventing significant star formation at larger radii.

研究动机与目标

• 通过分析宇宙时空中致密恒星核的数量密度演化，确定大质量星系中致密恒星核的形成时间。
• 研究恒星质量损失和并合在 z=2.5 至现今期间导致致密核数量密度下降的作用。
• 量化致密核对星系总恒星质量预算及宇宙总恒星质量的贡献，尤其关注高红移时期。
• 评估核形成所需的物理条件，特别是高效冷却以将恒星形成限制在约 1 kpc 范围内。

提出的方法

• 从 SDSS、UltraVISTA 和 3D-HST/CANDELS 巡天场的多波段数据中，选取 r=1 kpc 内恒星质量 >3×10^10 Msun 的星系。
• 利用光度红移和光谱红移将样本扩展至 z=2.5，从而获得宇宙时基线。
• 通过比较不同红移处的观测计数，估算核的数量密度演化。
• 通过建模质量损失和绝热膨胀，解释核数量密度随时间的下降。
• 将核质量分数与星系总质量进行比较，评估结构演化。
• 基于观测到的恒星形成被限制在 1 kpc 内的现象，推断所需气体冷却效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量星系中致密恒星核的数量密度如何随红移演化？
• RQ2 为何致密核的数量密度从 z=2.5 降至现今？
• RQ3 恒星质量损失和并合在核数量密度下降中贡献了多少？
• RQ4 在 z~2 时，致密核中形成的恒星占宇宙总恒星质量密度的多少比例？与现今相比如何？
• RQ5 形成这些核所需的物理机制，特别是气体冷却效率，是什么？这些机制如何在大半径区域抑制恒星形成？

主要发现

• 在 z=2.5 至 z=0 期间，具有致密核（M_1kpc > 3×10^10 Msun）的星系数量密度显著下降，主要由于恒星质量损失和绝热膨胀。
• 致密核主要形成于 z>2.5，与它们的宁静恒星种群及早期形成时期一致。
• 致密核对星系总质量的贡献比例从 z=2.5 时的约 50% 下降至 z=0 时的约 15%，这是由于外区持续的质量增长所致。
• 在 z~2 时，M_1kpc > 3×10^10 Msun 的致密核中形成的恒星，对宇宙总恒星质量密度的贡献为 10–20%，具体数值取决于初始质量函数。
• 核的形成需要在约 1 kpc 范围内将约 10^11 Msun 的气体转化为恒星，同时大半径区域恒星形成极少，暗示存在高效的局部冷却机制。
• 观测到的演化表明，核的早期形成及其宿主星系的后续结构增长，要求存在一种机制将恒星形成限制在核心区域。