[论文解读] Integral Field Spectroscopy based H\alpha\ sizes of local Luminous and Ultraluminous Infrared Galaxies. A Direct Comparison with high-z Massive Star Forming Galaxies

Santiago Arribas, L. Colina+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 81被引用 26

一句话总结

本研究利用积分场光谱技术，比较本地明亮及超亮红外星系（U/LIRGs）与高红移大质量星形成星系（SFGs）的Hα发射尺寸和表面亮度。尽管本地U/LIRGs中紧凑Hα区域的比例更高（59% vs. 25%），但两组样本在L(Hα)–ΣHα平面中表现出相似趋势，仅有约20–40%的本地U/LIRGs显示表面亮度高出约10倍，表明基于Hα的结构特性比以往使用其他示踪剂时认为的更为相似。

ABSTRACT

Aims. We study the analogy between local U/LIRGs and high-z massive SFGs by comparing basic H{\alpha} structural characteristics, such as size, and luminosity (and SFR) surface density, in an homogeneous way (i.e. same tracer and size definition, similar physical scales). Methods. We use Integral Field Spectroscopy based H{\alpha} emission maps for a representative sample of 54 local U/LIRGs (66 galaxies). From this initial sample we select 26 objects with H{\alpha} luminosities (L(H{\alpha})) similar to those of massive (i.e. M\ast \sim 10^10 M\odot or larger) SFGs at z \sim 2, and observed on similar physical scales. Results. The sizes of the H{\alpha} emitting region in the sample of local U/LIRGs span a large range, with r1/2(H{\alpha}) from 0.2 to 7 kpc. However, about 2/3 of local U/LIRGs with Lir > 10^11.4 L\odot have compact H{\alpha} emission (i.e. r1/2 < 2 kpc). The comparison sample of local U/LIRGs also shows a higher fraction (59%) of objects with compact H{\alpha} emission than the high-z sample (25%). This gives further support to the idea that for this luminosity range the size of the star forming region is a distinctive factor between local and distant galaxies of similar SF rates. However, when using H{\alpha} as a tracer for both local and high-z samples, the differences are smaller than the ones recently reported using a variety of other tracers. Despite of the higher fraction of galaxies with compact H{\alpha} emission, a sizable group (\sim 1/3) of local U/LIRGs are large (i.e. r1/2 > 2 kpc). These are systems showing pre-coalescence merger activity and they are indistinguishable from the massive high-z SFGs galaxies in terms of their H{\alpha} sizes, and luminosity and SFR surface densities.

研究动机与目标

• 利用一致的方法论框架，研究本地U/LIRGs与高红移大质量星形成星系（SFGs）之间的结构类比关系。
• 解决以往研究中因使用不同示踪剂而报告的星形成区域尺寸和表面亮度存在显著差异的问题。
• 确定本地与高红移星系之间观察到的差异是源于内在物理差异，还是方法学偏差或示踪剂选择所致。
• 评估物理尺度、Hα发射范围和光度表面密度在区分本地与高红移系统中的作用。
• 识别出在Hα尺寸和表面亮度方面与高红移SFGs在结构上无法区分的本地U/LIRGs。

提出的方法

• 利用INTEGRAL/WHT和VIMOS/VLT仪器获取66个本地U/LIRGs的积分场光谱（IFS）数据。
• 采用两种独立方法（A/2法与生长曲线法，CoG）计算Hα半光半径（r1/2），并均对仪器分辨率进行修正。
• 选取26个本地U/LIRGs作为子样本，其Hα光度（L(Hα)）与物理空间分辨率与红移z ≈ 2的高红移SFGs相匹配。
• 在相同的物理尺度上，使用相同的示踪剂（Hα）比较本地与高红移样本的Hα尺寸和光度表面密度（ΣHα）。
• 利用同一区域的恒星PSF测量结果，对尘埃消光和仪器点扩散函数（PSF）进行校正。
• 采用一致的尺寸定义（r1/2）与表面密度定义（ΣHα = L(Hα)/πr1/2²），以最小化跨样本比较中的方法学偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用相同示踪剂（Hα）和一致的尺寸定义时，本地U/LIRGs与高红移大质量SFGs在结构上是否相似？
• RQ2 本地U/LIRGs中具有紧凑Hα发射（r1/2 < 2 kpc）的星系所占比例是多少？与高红移样本相比如何？
• RQ3 本地U/LIRGs与高红移SFGs在L(Hα)–ΣHα关系上如何比较？这对它们的恒星形成过程有何启示？
• RQ4 哪些本地U/LIRGs在Hα尺寸和表面亮度方面与高红移SFGs在结构上无法区分？
• RQ5 Hα基结构特性上的差异在多大程度上反映了内在物理差异，而非方法学偏差？

主要发现

• 在Lir > 10^11.4 L⊙的本地U/LIRGs中，约三分之二（66%）具有紧凑Hα发射（r1/2 < 2 kpc），其尺寸范围为0.2 kpc至7 kpc。
• 本地U/LIRG样本中紧凑Hα源的比例（59%）高于高红移样本（25%），表明本地系统中恒星形成更倾向于紧凑。
• 尽管存在紧凑性差异，L(Hα)–ΣHα平面显示，大多数本地U/LIRGs与高红移SFGs遵循相同趋势，并在表面亮度范围内覆盖相似动态范围。
• 仅有20–40%的本地U/LIRGs表现出比其L(Hα)预期值高约10倍的ΣHα，该比例显著低于以往L(TIR)–ΣTIR平面中报告的1000倍差异。
• 约三分之一的本地U/LIRGs（r1/2 > 2 kpc）在Hα尺寸和表面亮度方面与高红移SFGs在结构上无法区分，表明其恒星形成结构本质上并无根本不同。
• 使用Hα作为示踪剂可减少本地与高红移星系之间在表观上的差异，相较于TIR等其他示踪剂，表明以往的差异可能源于示踪剂依赖性偏差。