[论文解读] Integral Field Spectroscopy based Hα 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 80被引用 26

一句话总结

本研究利用积分场光谱技术，对26个本地明亮及超亮红外星系（U/LIRGs）与红移z ~ 2的高红移大质量星形成星系（SFGs）在H𝛼发射线的大小和表面亮度方面进行了直接比较，两者具有相似的H𝛼光度和物理尺度。研究发现，尽管约59%的本地U/LIRGs具有紧凑的H𝛼区域（r₁/₂ < 2 kpc），但显著比例（约33%）的H𝛼分布范围与高红移SFGs相当，表明仅凭大小无法区分两者；H𝛼表面亮度关系仅显示适度差异（约10倍），远小于其他示踪剂（如TIR表面密度）所见的极大差异（>1000倍）。

ABSTRACT

Aims. We study the analogy between local U/LIRGs and high-z massive SFGs by comparing basic Hα 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 Hα emission maps for a representative sample of 54 local U/LIRGs (66 galaxies). From this initial sample we select 26 objects with Hα luminosities (L(Hα)) 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 Hα emitting region in the sample of local U/LIRGs span a large range, with r1/2(Hα) from 0.2 to 7 kpc. However, about 2/3 of local U/LIRGs with Lir &gt; 10^11.4 L\odot have compact Hα emission (i.e. r1/2 &lt; 2 kpc). The comparison sample of local U/LIRGs also shows a higher fraction (59%) of objects with compact Hα 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 Hα 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 Hα emission, a sizable group (\sim 1/3) of local U/LIRGs are large (i.e. r1/2 &gt; 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 Hα sizes, and luminosity and SFR surface densities.

研究动机与目标

• 使用一致的物理示踪剂（H𝛼）和大小定义，评估本地U/LIRGs与高红移大质量星形成星系（SFGs）之间的结构相似性。
• 解决以往研究中因使用不同示踪剂（如TIR、[CII]）而报告的表面亮度极端差异（如1000倍）所导致的矛盾。
• 确定在统一测量条件下，本地U/LIRGs的H𝛼发射大小和表面亮度是否确实与高红移SFGs不同。
• 识别具有扩展H𝛼发射的本地U/LIRGs在结构特性上是否与高红移SFGs相似，暗示可能存在共同的物理机制。
• 量化紧凑性和表面亮度在区分本地U/LIRGs与高红移SFGs中的作用，特别是在并合驱动星形成的情境下。

提出的方法

• 利用INTEGRAL/WHT和VIMOS/VLT仪器获取66个本地U/LIRGs的高空间分辨率积分场光谱（IFS）数据。
• 从样本中选取26个本地U/LIRGs作为子样本，其H𝛼光度（L(H𝛼)）与红移z ~ 2、质量M⋆ ~ 10¹⁰ M⊙的高红移SFGs相当，确保物理尺度可比。
• 采用两种独立方法测量H𝛼半光半径（r₁/₂）：A/2法与光度累积曲线（CoG）法，并通过PSF去卷积校正仪器展宽效应。
• 基于H𝛼流量和尺寸测量结果，计算H𝛼光度表面密度（ΣH𝛼）和恒星形成率（SFR）表面密度。
• 以相同定义和物理尺度，对本地与高红移样本的H𝛼大小和表面亮度分布进行直接、一致的比较。
• 应用质量标志和误差修正（如未分辨或噪声较高的情况误差达30–50%），并排除存在强AGN污染或视场受限的源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在H𝛼光度与高红移SFGs匹配的条件下，本地U/LIRGs的H𝛼大小是否显著不同于高红移大质量SFGs？
• RQ2 当使用相同示踪剂和测量方法时，本地U/LIRGs的H𝛼光度表面密度（ΣH𝛼）与高红移SFGs相比如何？
• RQ3 本地U/LIRGs中具有紧凑H𝛼发射（r₁/₂ < 2 kpc）的比例是多少？与高红移SFGs中的比例相比如何？
• RQ4 具有扩展H𝛼发射（r₁/₂ > 2 kpc）的本地U/LIRGs在H𝛼大小–光度平面中是否表现出与高红移SFGs不可区分的结构特性？
• RQ5 与TIR或[CII]等其他示踪剂相比，使用H𝛼作为示踪剂时，本地与高红移系统之间表面亮度差异在多大程度上减小？

主要发现

• 本地U/LIRGs的H𝛼半光半径（r₁/₂）范围广泛，从0.2 kpc到7 kpc不等，其中约三分之二的系统（L_IR > 10¹¹.⁴ L⊙）具有紧凑发射（r₁/₂ < 2 kpc）。
• 在对比样本中，59%的本地U/LIRGs具有紧凑H𝛼发射（r₁/₂ < 2 kpc），而高红移SFG样本中仅25%具有此类特征，表明在紧凑性上存在显著差异。
• 尽管本地系统中紧凑源比例更高，但约三分之一（33%）的本地U/LIRGs具有r₁/₂ > 2 kpc，其H𝛼大小和表面亮度在结构上与高红移SFGs无法区分。
• 在L(H𝛼)–ΣH𝛼平面中，大多数本地U/LIRGs与高红移SFGs遵循相似趋势，约20–40%的本地U/LIRGs表面亮度差异仅为10倍，与使用其他示踪剂时超过1000倍的差异相比显著减小。
• 与以往使用其他示踪剂报告的极大差异相比，H𝛼表面亮度在本地与高红移系统之间的实际差异要小得多，表明H𝛼能提供更一致且偏差更小的比较。
• 具有扩展H𝛼发射的本地U/LIRGs显示出并合前活动的迹象，支持此类系统在结构和动力学上与大质量高红移SFGs相似的观点。