[论文解读] Ha Rotation Curves of z~1 Galaxies: Unraveling the Evolution of the Tully-Fisher Relation

M. Barden, M. D. Lehnert+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究首次获得了z≈1旋涡星系的空间分辨H𝛼旋转曲线，揭示了Tully-Fisher关系的显著演化。高红移样本在rest-frame B波段的星等偏移ΔM ≈ -1.1 mag，相较于本地星系，这是由中心表面亮度增加和旋转速度降低所导致，表明自z≈0.9以来星系经历了显著的质量与结构演化。

ABSTRACT

We describe the first results of a programme to obtain rotation curves of z~1 disc galaxies in the near-infrared using the Ha emission line in order to study the Tully-Fisher relation. To put any observed evolution into perspective and to investigate any possible selection biases, we constructed a control sample of low redshift galaxies that had rotation velocities and images available for measuring their dynamical, photometric, and morphological properties. Compared to local objects with isophotal sizes similar to the high redshift targets, we find that our sample of galaxies with spatially resolved rotation curves, the most distant sample so far (~0.9), clearly reveals a brightening of ~1.1 mag in the rest-frame B-band. The observed offset can be explained by a combination of increasing surface brightness, decreasing rotation speeds, and slightly smaller disc scale lengths of the high redshift galaxies.

研究动机与目标

• 通过获取空间分辨旋转曲线，测量高红移（z≈1）下Tully-Fisher关系的演化。
• 探究Tully-Fisher关系中观测到的偏移是否源于内在演化或选择效应。
• 将高红移盘星系与本地对照样本进行比较，以分离质量、大小和运动学的物理变化。
• 评估表面亮度、尺度长度和旋转速度在驱动Tully-Fisher关系偏移中的作用。
• 为基于分层并合与暗物质结构形成的星系演化模型提供高红移基准。

提出的方法

• 利用VLT/ISAAC仪器获取近红外H𝛼长缝光谱，测量z≈1盘星系的空间分辨旋转曲线。
• 选择z>0.6、高倾角（⟨i⟩≈60°）且具有指数光度分布的星系，以确保盘状结构。
• 构建一个低红移本地对照样本，其星系具有可比的等高线尺寸、测光和形态学特性。
• 使用关系式M_d ∝ -5 log R_d - 2.5 log(1+z) + μ₀ - const，量化表面亮度和尺度长度对星等偏移的影响。
• 比较高红移与本地样本的旋转速度和动力学质量，假设质量∝v_rot²至2.2倍尺度长度范围。
• 基于表面亮度和盘尺度长度的平均差异，对Tully-Fisher零点进行修正，以分离运动学演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 从z≈0.9到z=0，Tully-Fisher关系如何演化？其偏移由何驱动？
• RQ2 中心表面亮度和盘尺度长度的变化在Tully-Fisher关系偏移中占多大程度的贡献？
• RQ3 z≈1盘星系的旋转速度与相同大小的本地星系相比如何？
• RQ4 观测到的演化是否与分层星系形成模型和宇宙学参数一致？
• RQ5 在空间分辨率和样本大小的限制下，能否在高红移有效测量Tully-Fisher关系的斜率？

主要发现

• 高红移样本相对于本地对照样本表现出rest-frame B波段星等偏移ΔM ≈ -1.1 ± 0.5 mag，表明自z≈0.9以来星等显著变亮。
• 该偏移主要由中心表面亮度增加1.7 mag arcsec⁻²以及盘尺度长度减少30%所驱动。
• z≈1星系的平均旋转速度比相同大小的本地星系慢50 ± 15 km s⁻¹，意味着自z≈0.9以来质量增加了约2.6 ± 0.4倍。
• 在对表面亮度和尺度长度差异进行修正后，Tully-Fisher关系的零点偏移为-0.3 ± 0.4 mag，剩余偏移由旋转速度降低解释。
• 观测到的演化与先前在较低红移（⟨z⟩≈0.4–0.5）的研究不一致，表明偏移随红移增大而增长，提示在2–3 Gyr内发生强烈演化。
• 结果与宇宙学模拟总体一致，后者预测从z=1到z=0，B波段亮度增加约1.15 mag，特征质量下降约2.4倍。