[论文解读] Galaxy Mass and Luminosity Scaling Laws Determined by Weak Gravitational Lensing

Timothy A. McKay, E. Sheldon+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 9

一句话总结

该论文利用斯隆数字巡天（SDSS）数据中的弱引力透镜效应测量了星系-质量关联函数（GMCF），揭示了ΔΣ₊ ∝ (R/1 Mpc)⁻⁰.⁸±⁰.² h M☉ pc⁻²的幂律标度关系。研究发现，星系质量（M₂₆₀）与红波段（g′, r′, i′, z′）的光度之间存在强烈且线性的关系，且螺旋星系与椭圆星系及其不同环境中的质量-光度比保持一致——表明星系形成与暗物质晕之间存在普遍关联。

ABSTRACT

We present new measurements of scaling laws relating the luminosity of galaxies to the amplitude and shape of their dark matter halos. Early imaging and spectroscopic data from the Sloan Digital Sky Survey are used to make weak lensing measurements of the surface mass density contrast Delta Sigma_+ around classes of lens objects. This surface mass density contrast as a function of radius is a measure of the galaxy-mass correlation function (GMCF). Because spectroscopic redshifts are available for all lens objects, the mass and distance scales are well constrained. The GMCF measured around ~31,000 lenses is well fit by a power law of the form Delta Sigma_+ = (2.5+0.7-0.6) (R/1 Mpc)^{-0.8+-0.2} h M_sun pc^-2. We compare this GMCF to galaxy luminosity, type, and environment, and find that it varies strongly with all three. We quantify these variations by comparing the normalization of a fit to the inner 260 h^-1 kpc, M_260, to the galaxy luminosity. While M_260 is not strongly related to luminosity in bluest band u', there is a simple, linear relation between M_260 and luminosity in redder bands (g', r', i', and z'). We test the universality of these mass-to-light scalings by independently measuring them for spiral and elliptical galaxies,and for galaxies in a variety of environments. We find remarkable consistency in these determinations in the red bands, especially i' and z'. This consistency across a wide range of systems suggests that the measured scaling represents an excellent cosmic average, and that the integrated star formation history of galaxies is strongly related to the dark matter environments in which they form.

研究动机与目标

• 利用弱引力透镜效应测量星系光度与暗物质晕质量之间的标度关系。
• 确定质量-光度比在不同星系类型（螺旋星系与椭圆星系）和环境之间是否具有普适性。
• 利用光谱红移精确校准距离与质量，以高精度约束星系-质量关联函数（GMCF）。
• 评估质量-光度标度定律在多样化星系群体和宇宙结构中的自洽性。
• 通过将发光星系与暗物质晕关联，为星系形成模型和N体模拟提供观测约束。

提出的方法

• 利用约31,000个透镜星系周围的弱引力透镜效应测量表面质量密度对比ΔΣ₊。
• 对所有透镜星系使用光谱红移以精确确定其距离和物理尺度。
• 将观测到的GMCF拟合至幂律模型：ΔΣ₊ = (2.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶)(R/1 Mpc)⁻⁰.⁸±⁰.² h M☉ pc⁻²。
• 将260 h⁻¹ kpc内的GMCF归一化值（M₂₆₀）与多个测光波段（u′, g′, r′, i′, z′）中的星光明度进行比较。
• 按星系类型（螺旋星系/椭圆星系）和环境对样本进行细分，以检验质量-光度标度的变化。
• 利用高质量的SDSS成像与光谱数据，提升形状测量精度与源星表的完整性，优于以往研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系-质量关联函数（GMCF）如何随半径变化？其在物理单位下的归一化值是多少？
• RQ2 星系质量（M₂₆₀）与不同测光波段中的光度之间是否存在线性关系，特别是在红波段？
• RQ3 螺旋星系与椭圆星系的质量-光度标度定律是否存在显著差异？
• RQ4 质量-光度比在不同宇宙环境（如星系团与空洞）中是否一致？
• RQ5 SDSS的弱透镜测量能否为发光星系与暗物质晕之间的关联提供稳健约束？

主要发现

• 星系-质量关联函数（GMCF）可用幂律良好描述：ΔΣ₊ = (2.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶)(R/1 Mpc)⁻⁰.⁸±⁰.² h M☉ pc⁻²。
• M₂₆₀与u′波段光度无显著相关性，但与更红波段（g′, r′, i′, z′）的光度表现出强烈且线性关系。
• 在红波段中，螺旋星系与椭圆星系的质量-光度标度极为一致，尤其在i′与z′波段。
• 在多样化星系类型与环境中的高度一致性表明，观测到的标度关系代表了宇宙平均值，反映出星系形成与暗物质晕属性之间的普遍联系。
• 结果表明，未来研究应优先采用红波段测得的光度，以最佳方式探测星系质量与形成历史。
• 尽管SDSS数据仅来自最终巡天面积的4%，其信噪比已足够支持稳健的统计分析，预计完整数据集将使精度提升五倍以上。