[论文解读] Did most present-day spirals form during the last 8 Gyrs? A formation history with violent episodes revealed by panchromatic observations

F. Hammer, H. Flores+4 more|CERN Bulletin|Oct 21, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用 158

一句话总结

该论文提出，大多数现今的中等质量旋涡星系在过去80亿年中，通过由大质量并合、小质量并合以及气体吸积引发的剧烈、周期性恒星形成，形成了其恒星并经历了主要的结构变化。通过多波段观测，该研究证明了38%的恒星质量是在z=1以来形成的，主要集中在明亮红外星系（LIRGs）中，且75±25%的旋涡星系在近期经历了大质量并合，其星系核球和盘状结构因此重塑，与分层星系形成理论一致。

ABSTRACT

(abridged) Studies of distant galaxies have shown that ellipticals and large spirals were already in place 8 Gyr ago, leading to a very modest recent star formation in intermediate mass galaxies. This is challenged by a recent analysis (Heavens et al. 2004) of the fossil record of the stellar populations of ~10^5 nearby galaxies, which show that intermediate mass galaxies have formed or assembled the bulk of their stars 4 to 8 Gyr ago. Here we present direct observational evidence supporting the Heavens et al's findings from a long term, multi-wavelength study of 195 z>0.4 intermediate mass galaxies, mostly selected from the CFRS survey. We show that a recent and efficient star formation is revealed at IR wavelengths since ~15% of intermediate mass galaxies at z>0.4 are indeed luminous IR galaxies (LIRGs), a phenomenon far more common than in the local Universe. The star formation in LIRGs is sufficient in itself to produce 38% of the total stellar mass of intermediate mass galaxies and then to account for most of the reported stellar mass formation since z=1. The high occurrence of LIRGs is easily understood only if they correspond to episodic peaks of star formation, during which galaxies are reddened through short IREs (infrared episodes). We examine how galaxy IREs can be related to the emergence at high redshift, of the abundant population of galaxies with small size, blue core and many irregularities. We show that recent merging and gas infall naturally explain both morphological changes and episodic star formation history in a hierarchical galaxy formation frame. We propose a simple scenario in which 75+-25% of intermediate mass spirals have experienced recently their last major merger event, leading to a drastic reshaping of their bulges and disks during the last 8 Gyrs.

研究动机与目标

• 解决低观测紫外恒星形成率与高推断的z=1以来恒星质量形成之间的矛盾。
• 研究尘埃包裹的恒星形成（通过红外观测）在解释中等质量星系中‘缺失’恒星质量中的作用。
• 检验是否与并合及气体吸积相关的剧烈、周期性恒星形成可解释旋涡星系的形态演化与质量聚集。
• 利用红外与光学数据量化大质量并合、小质量并合以及气体吸积对近期恒星形成贡献的相对比例。
• 调和LIRG与致密星系数量密度随宇宙时间的下降趋势与大质量旋涡星系与椭圆星系数量密度保持稳定之间的矛盾。

提出的方法

• 对加拿大-法国红移巡天（CFRS）中195个z > 0.4的中等质量星系进行了长期多波段观测，结合紫外、光学与红外数据。
• 利用红外光度（LIR > 10^11 L☉）识别明亮红外星系（LIRGs），其为高密度尘埃包裹恒星形成的重要指标。
• 通过积分LIRGs的恒星形成率及其寿命，估算出自z=1以来，其对总恒星质量形成的贡献为38%。
• 将红外爆发事件（IREs）建模为短暂、尘埃消光显著的星暴阶段，估算从z=1到z=0.4，每星系经历4–5 × (τIRE / 0.1 Gyr)^−1 次IREs。
• 分析z≈0.7发射线星系的光度-金属丰度关系，发现其平均金属丰度比本地旋涡星系低约2倍。
• 通过检验其与八个观测演化趋势的一致性，评估星系形成情景，包括紫外与红外光度密度下降、并合率以及LIRG/致密星系数量密度的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 尘埃包裹的星暴（LIRGs）在多大程度上解释了自z=1以来中等质量星系中‘缺失’的恒星质量形成？
• RQ2 在过去80亿年中，中等质量旋涡星系经历剧烈、并合驱动的恒星形成爆发（IREs）的频率如何？
• RQ3 观测到的旋涡星系形态演化（如核球增长、盘状结构形成）是否能通过近期大质量并合与气体吸积在分层形成框架下得到解释？
• RQ4 大质量并合、小质量并合与气体吸积对宇宙恒星形成历史近期峰值的相对贡献分别是什么？
• RQ5 为何LIRGs与致密不规则星系的数量密度从z≈1下降至今日，而大质量旋涡星系与椭圆星系的数量密度却保持稳定？

主要发现

• z > 0.4的明亮红外星系（LIRGs）占中等质量星系总恒星质量的38%，表明大多数近期恒星形成被尘埃遮蔽。
• z > 0.4时LIRGs的高发生率表明星系经历了周期性剧烈恒星形成，每个星系在z=1至z=0.4期间经历4至5 × (τIRE / 0.1 Gyr)^−1 次红外爆发事件（IREs）。
• z≈0.7发射线星系的平均金属丰度比本地旋涡星系低约2倍，支持了近期发生金属丰度较低的恒星形成事件的观点。
• 75±25%的中等质量旋涡星系在近期经历了大质量并合，这解释了其核球与盘状结构的重塑，并在统一的形成情景下将遥远星系与本地星系联系起来。
• 该情景同时解释了自z=1以来紫外与红外光度密度、并合率以及LIRG与致密星系数量密度的下降，而大质量旋涡星系与椭圆星系的数量密度保持稳定。
• 该模型预测，近期红外恒星形成密度中42%、22%与36%分别来自大质量并合、小质量并合与气体吸积，与观测约束一致。