[论文解读] Evolution of the specific Star Formation Rate Function at z<1.4 - Dissecting the mass-SFR plane in COSMOS and GOODS

O. Ilbert, S. Arnouts+22 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用 COSMOS 和 GOODS 巡天的中红外与远红外数据，测量了 0.2 < z < 1.4 范围内星系中特定恒星形成率（sSFR）函数的演化。研究揭示了质量依赖的 sSFR 演化，其演化形式为 (1+z)^b，其中 b 值从低质量时的 2.88 增加到高质量时的 3.78；同时发现 sSFR 函数的弥散随恒星质量增加而增大，表明大质量星系中恒星形成历史的多样性不断增强。

ABSTRACT

The relation between the stellar mass and the star formation rate characterizes how the instantaneous star formation is determined by the galaxy past star formation history and by the growth of the dark matter structures. We deconstruct the M-SFR plane by measuring the specific SFR functions in several stellar mass bins from z=0.2 out to z=1.4. Our analysis is primary based on a MIPS 24$μm$ selected catalogue combining the COSMOS and GOODS surveys. We estimate the SFR by combining mid- and far-infrared data for 20500 galaxies. The sSFR functions are derived in four stellar mass bins within the range 9.5

研究动机与目标

• 测量宇宙时间（z < 1.4）内星系中特定恒星形成率（sSFR）函数的演化。
• 研究 sSFR 函数如何随恒星质量和红移变化，尤其关注质量-恒星形成率平面的背景。
• 评估选择效应在解释质量-恒星形成率关系中的作用，并检验半解析模型（SAMs）的预测。
• 确定 sSFR 函数的形状是否在时间上保持不变，以及其弥散如何随质量演化。
• 探索可能解释观测到的 sSFR 随恒星质量增加而下降及 sSFR 函数弥散增大的物理解释。

提出的方法

• 整合 COSMOS 和 GOODS 巡天的数据，构建一个以 24 µm 选源的星系星表，以确保对星系形成星系的深度且无偏的覆盖。
• 利用中红外与远红外测光的联合数据估算恒星形成率（SFR），以最小化尘埃消光偏差，实现稳健的 SFR 测量。
• 在四个恒星质量区间（9.5 < log(M⋆/M☉) < 11.5）内，测量红移 z = 0.2 至 z = 1.4 的 sSFR 函数（sSFR = SFR / M⋆）。
• 应用统计修正以校正选择效应和完整性，确保在低 sSFR 值区域 sSFR 函数估计的准确性。
• 将 sSFR 函数建模为对数正态分布，以量化其内在弥散（σ），并评估其随红移和质量的演化。
• 将观测到的 sSFR 函数与 Wang et al. (2008) 的半解析模型预测结果进行比较，并与宇宙学吸积率进行对比，以检验物理一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 中值 sSFR 如何随红移演化，且这种演化是否依赖于恒星质量？
• RQ2 在 z < 1.4 范围内，sSFR 函数的形状是否随时间保持不变，还是随宇宙时间与质量而演化？
• RQ3 为何在高恒星质量下，观测到的 sSFR 函数与半解析模型预测存在偏差？
• RQ4 哪些物理过程可解释 sSFR 函数弥散随恒星质量增加而增大的现象？
• RQ5 在固定红移下，sSFR 如何依赖于恒星质量，这对大质量星系的恒星形成历史意味着什么？

主要发现

• 中值 sSFR 的演化形式为 (1+z)^b，其中 b 值从 M⋆ ≈ 10^9.75 M☉ 时的 2.88 ± 0.12 增加到 M⋆ ≈ 10^11.1 M☉ 时的 3.78 ± 0.60，表明大质量星系中演化更为显著。
• sSFR 函数的内在弥散（σ）从低质量时的 0.28 dex（log(M⋆/M☉) ≈ 9.5–10）增加到高质量时的 0.46 dex（log(M⋆/M☉) ≈ 11–11.5），表明随着质量增加，恒星形成历史的多样性不断增强。
• 在 z < 1.4 范围内，sSFR 函数的形状随红移保持不变，但其弥散随恒星质量增加，表明质量依赖的物理过程驱动了恒星形成历史的多样性。
• sSFR 随恒星质量的增加而下降，满足 log₁₀(sSFR) ∝ -0.17 M⋆，该趋势与线性关系不一致，更符合 τ ∝ 1/M⋆ 的指数衰减恒星形成历史。
• 观测到的 sSFR 演化仅在 M⋆ < 10^10 M☉ 时与宇宙学吸积率和半解析模型预测一致；对于更高质量的星系，一致性被打破，表明当前模型存在局限性。
• 物理机制如热晕气体耗尽、大质量、星系核球主导系统中恒星形成效率下降，以及长期演化过程，可能解释观测到的 sSFR 下降及高质质量下弥散增大的现象。