[论文解读] Geometrical tests of cosmological models. II. Calibration of rotational widths and disc scaling relations

A. Saintonge, Karen L. Masters+4 more|ArXiv.org|Oct 3, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文利用SFI++星表校准了近邻旋涡星系的旋转速度宽度与盘面尺度关系，以实现高红移的几何宇宙学检验。研究发现Hα与[OII]谱线宽度高度相关（散差约30 km s⁻¹），并表明经倾角和消光修正后的r₂₃.₅–v_rot关系比提勒-费舍尔关系或其他尺寸-速度关系更为紧密，散差最小，因此特别适合用于宇宙学中的标准尺应用。

ABSTRACT

This series of papers is dedicated to a new technique to select galaxies that can act as standard rods and standard candles in order to perform geometrical tests on large samples of high redshift galaxies to constrain different cosmological parameters. The goals of this paper are (1) to compare different rotation indicators in order to understand the relation between rotation velocities extracted from observations of the Halpha line and the [OII]3727 line, and (2) determine the scaling relations between physical size, surface brightness and magnitude of galaxies and their rotation velocity using the SFI++, a large catalog of nearby galaxies observed at I-band. A good correlation is observed between the rotation curve-derived velocities of the Halpha and [OII] observations, as well as between those calculated from velocity histograms, justifying the direct comparison of velocities measured from Halpha rotation curves in nearby galaxies and from [OII] line widths at higher redshifts. To provide calibration for the geometrical tests, we give expressions for the different scaling relations between properties of galaxies (size, surface brightness, magnitude) and their rotation speeds. Apart from the Tully-Fisher relation, we derive the size-rotation velocity and surface brightness-rotation velocity relations with unprecedentedly small scatters. We show how the best size-rotation velocity relation is derived when size is estimated not from disc scale lengths but from the isophotal diameter r23.5, once these have been corrected for inclination and extinction effects.

研究动机与目标

• 校准宇宙学研究中跨红移比较的旋转速度指示器（Hα与[OII]谱线）。
• 推导近邻星系中物理星系属性（尺寸、表面亮度、星等）与旋转速度之间的紧密关系。
• 识别在尺寸-旋转速度关系中散差最小的最优尺寸估计量（r₂₃.₅）。
• 通过提供无演化偏倚的本地校准，实现高红移巡天中标准尺与标准烛光的可靠选择。
• 通过建立稳健且低散差的关系，支持大规模几何宇宙学模型检验，如角直径距离检验。

提出的方法

• 使用SFI++星表，即一个包含近邻旋涡星系的同质样本，具有I波段测光数据和基于Hα或HI观测的旋转曲线数据。
• 比较基于完整Hα旋转曲线获得的旋转速度与基于[OII] λ3727 Å旋转曲线及速度直方图获得的旋转速度。
• 对星系尺寸应用倾角和消光修正，特别关注等面亮度轮廓r₂₃.₅（23.5 mag arcsec⁻²表面亮度等高线）。
• 使用皮尔逊相关系数量化关系中的散差，以评估其紧密度与可靠性。
• 通过比较样本中基于Hα的旋转速度与基于[OII]的宽度，验证不同旋转速度指示器的一致性。
• 通过稳健的统计校准，推导出r₂₃.₅–v_rot关系，其在所有备选关系（r_d, r₈₃, r₅₀）中散差最小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近邻旋涡星系中，从Hα和[OII]发射线测得的旋转速度如何比较？
• RQ2 在r–v_rot关系中，哪种尺寸估计量（r_d, r₈₃, r₅₀, r₂₃.₅）与旋转速度的相关性最紧密？
• RQ3 在对倾角和消光进行修正后，r₂₃.₅–v_rot关系的散差是多少？
• RQ4 [OII]谱线宽度能否可靠地作为高红移宇宙学检验中Hα旋转速度的代理？
• RQ5 所推导的尺度关系如何支持标准尺与标准烛光的选择，以用于几何宇宙学检验？

主要发现

• 从Hα和[OII]发射线获得的旋转速度之间存在强烈相关性，散差约为30 km s⁻¹。
• 与Hα旋转曲线相比，基于速度直方图测得的旋转速度散差约为50 km s⁻¹，表明直方图方法存在系统性偏差。
• 经倾角和消光修正后，r₂₃.₅–v_rot关系在所有测试的尺寸估计量中散差最小，其紧密程度可与提勒-费舍尔关系相媲美。
• r₂₃.₅尺寸估计量在最小化尺寸-速度关系散差方面优于r_d、r₈₃和r₅₀，因此在宇宙学标准尺应用中表现最优。
• 尽管Hα与[OII]指示器之间的交叉校准存在散差，但未发现系统性偏移，支持其在低红移与高红移样本中的联合使用。
• 经校准的r₂₃.₅–v_rot关系为大规模几何宇宙学检验中标准尺的选择提供了稳健且低散差的基础。