[论文解读] Hubble Space Telescope Captures UGC~12591: Bulge/Disc Properties, Star Formation and `Missing Baryons' Census in a Very Massive and Fast Spinning Hybrid Galaxy

Shankar Ray, J. Bagchi+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜和多波段数据，分析了UGC 12591，这是一个具有主导星系核球（H波段B/D = 69%）且恒星形成极低（SFR ≈ 0.1–0.2 M☉ yr⁻¹）的高质量、高速旋转混合星系。尽管其恒星质量高达1.6×10¹¹ M☉，该星系仍处于熄灭状态，仅15%的重子物质被观测到，表明存在85%的重子物质缺失，暗示非引力过程（如活动星系核反馈或冷却效率低下）可能破坏标准关系（如重子Tully-Fisher关系）。

ABSTRACT

We present Hubble Space Telescope (HST) observations of the nearby, massive, highly rotating hybrid galaxy UGC~12591, along with observations in UV to FIR bands. HST data in V, I, and H bands is used to disentangle the structural components. Surface photometry shows a dominance of the bulge over the disc with H-band B/D ratio of $69\%$. The spectral energy distribution (SED) fitting reveals an extremely low global star formation rate (SFR) of $ m\sim0.1-0.2 M_\odot yr^{-1}$, exceptionally low for the galaxy's huge stellar mass of $ m 1.6 imes10^{11}M_\odot$, implying a strong quenching of its SFR with star formation efficiency of $3-5\%$. For at least the past $ m 10^{8}$ years, the galaxy has remained in a quiescent state as a sterile, `red and dead' galaxy. UGC~12591 hosts a supermassive black hole (SMBH) of $ m 6.18 imes 10^{8} M_\odot$ which is possibly quiescent at present, i.e. neither we see large ($ m>1 kpc$) radio jets nor is the SMBH contributing significantly to the mid-IR SED, ruling out strong radiative feedback of AGN. We obtained a detailed census of all observable baryons with a total mass of $ m 6.46 imes10^{11} M_\odot$ within the virial radius, amounting to a baryonic deficiency of $\sim$$85\%$ relative to the cosmological mean. Only a small fraction of these baryons resides in a warm/hot circum-galactic X-ray halo, while the majority are still unobservable. We discussed various astrophysical scenarios to explain its unusual properties. Our work is a major step forward in understanding the assembly history of such extremely massive, isolated galaxies.

研究动机与目标

• 利用哈勃空间望远镜成像研究UGC 12591的结构组分（核球/盘面）及其恒星形成特性。
• 在virial半径内全面统计所有可观测重子物质，以评估重子物质缺失程度。
• 评估活动星系核反馈在熄灭这一大质量孤立星系恒星形成中的作用。
• 检验重子Tully-Fisher关系（BTFR）在UGC 12591等极端系统中的稳健性。
• 理解大质量、熄灭、高速旋转混合星系形成背后的演化机制。

提出的方法

• 对哈勃空间望远镜ACS在V、I和H波段的数据进行表面光度测量，以分解核球与盘面组分。
• 利用从紫外到亚毫米波段的多波段数据拟合光谱能量分布（SED），以推导全局恒星形成速率与恒星质量。
• 通过累加恒星质量、冷/暖/热气体质量以及暗物质晕质量，估算virial半径内总重子质量。
• 利用X射线观测估算星系晕中热气体形式的星系晕物质（CGM）质量。
• 将星系的动力学质量与重子质量同宇宙学平均值比较，以量化重子物质缺失程度。
• 分析射电与中红外数据，评估活动星系核（AGN）反馈的存在及其影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 UGC 12591的核球与盘面具有何种结构特性？各组分贡献的光度占比如何？
• RQ2 为何UGC 12591的恒星形成速率如此之低（0.1–0.2 M☉ yr⁻¹），尽管其恒星质量高达1.6×10¹¹ M☉？
• RQ3 UGC 12591中的重子质量有多少被观测到？未观测到的部分占多大比例，表明存在重子物质缺失？
• RQ4 在包含热晕气体质量后，重子Tully-Fisher关系（BTFR）是否仍适用于UGC 12591？
• RQ5 过去活动星系核反馈或其他非引力过程是否可解释该大质量星系的熄灭状态与重子物质缺失？

主要发现

• UGC 12591表现出主导核球，H波段B/D比为69%，表明其具有强核球主导的形态特征。
• 该星系具有极低的全局恒星形成速率（0.1–0.2 M☉ yr⁻¹），对应恒星形成效率仅为3–5%，尽管其恒星质量高达1.6×10¹¹ M☉。
• 该星系至少已处于熄灭状态10⁸年，被归类为“红且死亡”的星系，无显著的恒星形成活动。
• 在virial半径内测得的总重子质量为6.46×10¹¹ M☉，但仅占宇宙学平均值的15%，表明重子物质缺失约85%。
• 仅有少量重子物质以热星系晕X射线气体形式存在，而大部分重子物质仍无法被观测到，暗示缺失的重子物质并不处于预期的相态。
• 即使在包含外推的热晕气体质量后，UGC 12591仍远低于标准重子Tully-Fisher关系（斜率~4），表明自相似标度关系可能因非引力过程（如活动星系核反馈或冷却效率低下）而失效。