[论文解读] Disk galaxy scaling relations at intermediate redshifts - I. The Tully-Fisher and velocity-size relations

A. Boehm, B. Ziegler|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 69被引用 6

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/FORS光谱和哈勃空间望远镜/ACS成像，基于运动学测量，获得了124个红移 $ z \approx 0.05 $ 至 $ 1 $ 的盘状星系样本，测量了最大旋转速度 ($ V_{\rm max} $)、光度和盘面大小。研究发现，在固定 $ V_{\rm max} $ 条件下，红移 $ z \approx 1 $ 的星系在 $ B $-波段比本地星系亮 $ \sim 1.2\,\text{mag} $，且尺寸小 $ \sim 1.5\times $，同时在 $ z \approx 0.5 $ 时，Tully-Fisher关系与速度-大小关系的散射增大了约两倍，表明在 $ \sim 8\,\text{Gyr} $ 内星系的光度与大小均发生了显著演化。

ABSTRACT

We took spatially resolved slit spectra of 261 field disk galaxies at redshifts up to z~1 using the FORS instruments of the ESO Very Large Telescope. Our spectroscopy was complemented with HST/ACS imaging in the F814W filter. We analyzed the ionized gas kinematics by extracting rotation curves from the 2-D spectra. Taking into account all geometrical, observational and instrumental effects, these rotation curves were used to derive the intrinsic Vmax. Neglecting galaxies with disturbed kinematics or insufficient spatial rotation curve extent, Vmax could be robustly determined for 124 galaxies covering redshifts 0.05

研究动机与目标

• 利用高红移运动学数据，测量盘状星系关系（特别是Tully-Fisher关系与速度-大小关系）在宇宙时空中演化的情况。
• 确定Tully-Fisher关系（光度与 $ V_{\rm max} $ 的关系）和速度-大小关系（$ V_{\rm max} $ 与盘面尺度长度的关系）在零点、斜率或散射上是否存在红移依赖性变化。
• 探究导致观测到的光度与尺寸演化的物理机制，包括恒星种群年龄和暗物质质量分数的变化。
• 评估中等红移时关系散射增大的原因，是否由非圆周运动、投影倾角偏差或恒星种群效应引起。
• 通过比较在光度和尺寸上均显著偏离本地关系的星系，探讨光度与尺寸演化之间的解耦现象。

提出的方法

• 利用欧洲南方天文台甚大望远镜上的FORS仪器，对261个场区盘状星系获取了空间分辨的狭缝光谱，覆盖红移范围 $ 0.05 < z < 0.97 $，观测运行编号为65.O-0049至081.B-0107A。
• 从光谱中提取二维运动学图，以推导旋转曲线，并校正仪器、几何及观测效应，从而确定内在的 $ V_{\rm max} $。
• 结合VLT光谱与HST/ACS F814W成像，测量盘面尺度长度和光度参数，包括倾角与有效半径。
• 为遥远星系构建Tully-Fisher关系（光度与 $ V_{\rm max} $ 的关系）和速度-大小关系（$ V_{\rm max} $ 与尺度长度的关系），并与本地参考样本进行比较。
• 通过统计方法校正测量误差与选择效应，量化Tully-Fisher关系与速度-大小关系中的内在散射。
• 基于吸收校正后的 $ (B-R) $ 色指数计算静止系 $ B $-波段恒星质量-光度比，以评估恒星种群在散射演化中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 $ z \approx 0 $ 到 $ z \approx 1 $，Tully-Fisher关系的零点与散射如何演化？在固定 $ V_{\rm max} $ 条件下，光度偏移量是多少？
• RQ2 在尺寸与 $ V_{\rm max} $ 方面，红移 $ z \approx 1 $ 的盘状星系与本地速度-大小关系相比偏离程度如何？
• RQ3 在 $ z \approx 0.5 $ 时，Tully-Fisher关系与速度-大小关系散射增大的原因是否由非圆周运动、倾角偏差或恒星种群效应引起？
• RQ4 在光度演化最强的星系中，尺寸演化是否也最强？还是两者之间存在解耦？
• RQ5 恒星种群年龄与 $ M/L $ 比值在Tully-Fisher关系散射演化中起何种作用？

主要发现

• 在 $ z \approx 1 $ 时，与相同 $ V_{\rm max} $ 的本地星系相比，盘状星系在静止系 $ B $-波段的绝对星等更亮 $ \Delta M_B = -(1.2 \pm 0.5)\,\text{mag} $，表明存在显著的光度演化。
• 在相同 $ V_{\rm max} $ 条件下，红移 $ z \approx 1 $ 的盘状星系尺寸相比本地星系缩小了约 $ \sim 1.5\times $，表明在 $ \sim 8\,\text{Gyr} $ 内经历了强烈的尺寸演化。
• 在 $ z \approx 0.5 $ 时，Tully-Fisher关系与速度-大小关系的内在散射约为本地宇宙的两倍，表明中等红移时星系的运动学或结构多样性增加。
• 光度与尺寸的演化无相关性：尺寸演化最显著的星系并非最亮的星系，反之亦然，表明两者演化路径独立。
• 恒星 $ M/L $ 比值在红移上无系统性趋势，无法解释TFR散射的增加，提示非圆周运动或倾角偏差更可能是散射增长的主要原因。
• 观测到的光度与尺寸演化与包含冷气体吸积和小质量并合的宇宙学模拟预测一致，支持星系随时间通过外部吸积实现增长的演化机制。