[论文解读] Hierarchical Disk Galaxy Assembly as the Origin of Scatter in the z~1 Stellar Mass Tully-Fisher Relation

Nicola Atkinson, Christopher J. Conselice+1 more|ArXiv.org|Dec 9, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文表明，z~1星族质量Tully-Fisher关系中的离散度主要源于小质量并合与吸积引起的分层组装，而非星系盘的内在属性。利用哈勃空间望远镜成像，研究发现结构不对称性（CAS参数）与星族质量及最大旋转速度偏离Tully-Fisher关系的程度之间存在>3σ的相关性，表明高红移盘星系中存在持续的动力学演化。

ABSTRACT

Recent observations of distant disk galaxies show that there is little to no evolution in the relation between maximum rotation speed and stellar mass at z < 1.2. There is however a significant scatter between these two quantities whose origin is uncertain. We show in this paper that this scatter is at least partially the result of galaxy merging, revealing that disk galaxy growth at z < 1 is fundamentally hierarchical. We carry this out by calculating CAS (concentration, asymmetry, clumpiness) structural parameters using archival Hubble Space Telescope imaging of 91 high-redshift disk galaxies at 0.4 < z < 1.0 with robustly measured stellar masses and rotational maximum velocities taken from Conselice et al. (2005). We separate our sample into two redshift bins divided at z = 0.7, and investigate deviations from the stellar-mass Tully-Fisher relation in both the M_* and V_max directions, and how these correlate with structural asymmetries. We find a significant (> 3 sigma) correlation between the residuals from the stellar-mass Tully-Fisher relation in both the M_* and V_max directions, and high asymmetries. This result holds after we remove contributions from star formation and edge-on galaxies which can produce higher asymmetries unrelated to merging. While there are a few cases in which our disk galaxies have very large asymmetries, and are potentially involved in major mergers, in general these asymmetries are smaller than the major merger limit. It is therefore likely that these galaxies are forming hierarchically through minor galaxy mergers, which is also suggested by the constant slope and zero point of the stellar mass Tully-Fisher relation during the same epoch.

研究动机与目标

• 探究z~1星族质量Tully-Fisher关系中离散度的起源，尽管其关系紧密，但该现象仍未得到解释。
• 确定形态扰动（由结构参数指示）是否与偏离Tully-Fisher关系的程度相关。
• 检验离散度是否源于小质量并合或吸积等分层过程，而非观测误差或恒星形成。
• 评估z<1的盘星系是否仍在通过动力学过程形成，尽管其形态看似稳定。

提出的方法

• 分析91个高红移盘星系（0.4<z<1.0）的档案哈勃空间望远镜成像数据，这些星系具有可靠测量的星族质量和最大旋转速度。
• 计算CAS（集中度、不对称性、团块性）结构参数，以量化形态扰动程度。
• 将样本在z=0.7处分成两个红移区间，以研究不对称性和偏离Tully-Fisher关系程度的演化。
• 统计分析星族质量Tully-Fisher关系残差（M*和Vmax）与不对称性之间的相关性，同时控制恒星形成和侧向倾斜的影响。
• 采用3σ显著性阈值评估不对称性与动力学/质量偏离程度之间相关性的稳健性。
• 比较高红移（z>0.7）时不对称星系（A>0.25）的比例，以推断过去50亿年内的动力学演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 z~1星族质量Tully-Fisher关系中的离散度是否由与星系并合或吸积相关的形态扰动引起？
• RQ2 星族质量或最大旋转速度偏离Tully-Fisher关系的程度是否与高红移盘星系的结构不对称性相关？
• RQ3 观测到的不对称性是否可归因于大质量并合，还是更符合小质量并合活动与分层吸积的特征？
• RQ4 在排除恒星形成和侧向盘面方向污染后，不对称性与Tully-Fisher残差之间的相关性是否仍然成立？
• RQ5 是否存在盘星系在z<1时仍在经历动力学演化的证据，即使已越过主要大质量并合时期？

主要发现

• 在星族质量（M*）和最大旋转速度（Vmax）方面，结构不对称性与星族质量Tully-Fisher关系残差之间存在显著的（>3σ）相关性。
• 在排除侧向星系和强恒星形成系统后，不对称性与残差之间的相关性依然存在，排除了这些因素作为不对称性主要成因的可能性。
• 约70%的z>0.7盘星系偏离z~0的Tully-Fisher关系，表明其质量与动力学仍在持续增长。
• 星族质量的偏离通常在低质量星系量级（~10^11 M☉）左右，与小质量并合吸积一致，而非大质量并合。
• 在z>0.4时，高不对称性（A>0.25）星系的比例显著更高，支持过去50亿年中持续的动力学演化。
• 结果与通过小质量并合与吸积实现的分层盘星系形成模型一致，且在z<1范围内保持了Tully-Fisher关系的恒定斜率和零点。