[论文解读] KAOSS: turbulent, but disc-like kinematics in dust-obscured star-forming galaxies at $z\sim$1.3-2.6

Jack E. Birkin, Annagrazia Puglisi+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 5

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/KMOS积分场光谱仪对31个红移z ~ 1.3–2.6的尘埃遮蔽星系（DSFGs）进行了空间分辨的Hα速度场分析，发现其中25个最符合湍流主导、旋转支持的盘状结构，其平均旋转速度v_rot = 190 ± 30 km s⁻¹，速度 dispersion σ₀ = 87 ± 6 km s⁻¹。尽管湍流较强，但v_rot/σ₀比值为2.4 ± 0.5，表明旋转支持占主导地位，且恒星Tully-Fisher关系从z ~ 2到z ~ 0无演化迹象。

ABSTRACT

We present spatially resolved kinematics of 27 ALMA-identified dust-obscured star-forming galaxies (DSFGs) at $z\sim$1.3-2.6, as traced by H$α$ emission using VLT/KMOS near-infrared integral field spectroscopy from the "KMOS-ALMA Observations of Submillimetre Sources" (KAOSS) Large Programme. We derive H$α$ rotation curves and velocity dispersion profiles for the DSFGs, and find that among the 27 sources with bright, spatially extended H$α$ emission, 24 display evidence for disc-like kinematics. We measure a median inclination-corrected velocity at 2.2$R_{ m d}$ of $v_{ m rot}=$190$\pm$40kms$^{-1}$ and intrinsic velocity dispersion of $σ_0=$87$\pm$6kms$^{-1}$ for these disc-like sources. The kinematics yield median circular velocities of $v_{ m circ}=$230$\pm$20kms$^{-1}$ and dynamical masses within 2$R_{ m e}$ ($\sim$7kpc radius) of $M_{ m dyn}=$(1.1$\pm$0.2)$ imes$10$^{11}$M$_\odot$. Compared to less actively star-forming galaxies, KAOSS DSFGs are both faster rotating with higher intrinsic velocity dispersions, but have similar $v_{ m rot}/σ_0$ ratios, median $v/σ_0=$2.5$\pm$0.5. We suggest that the kinematics of the DSFGs are primarily rotation supported but with a non-negligible contribution from pressure support, which may be driven by star formation or mergers/interactions. We estimate the normalisation of the stellar mass Tully-Fisher relation (sTFR) for the disc-like DSFGs and compare it with local studies, finding no evolution at fixed slope between $z\sim$2 and $z\sim$0. Finally, we show that the kinematic properties of the DSFG population are consistent with them evolving into massive early-type galaxies, the dominant $z\sim$0 population at these masses.

研究动机与目标

• 利用空间分辨的Hα发射线速度场，解析红移z ~ 1.3–2.6的尘埃遮蔽星系（DSFGs）的动力学特征。
• 确定DSFGs是旋转支持的盘状结构还是由并合驱动的湍流系统。
• 测量恒星Tully-Fisher关系（sTFR）的归一化常数，并评估其从z ~ 2到z ~ 0的演化。
• 估算晕质量，并研究高红移DSFGs中的恒星-晕质量关系。
• 评估反馈与激波加热在调控大质量晕中恒星质量增长中的作用。

提出的方法

• 利用甚大望远镜/KMOS近红外积分场光谱仪，对31个ALMA识别的DSFGs获取了空间分辨的Hα发射线速度场数据。
• 采用Freeman盘模型拟合旋转曲线，以推导在2.2 R_d处的倾角修正后旋转速度v_rot。
• 应用Johnson等人（2018）提出的光束弥散修正方法，从观测速度 dispersion 推导出真实速度 dispersion σ₀。
• 基于测量得到的v_rot和恒星质量M_*，构建恒星Tully-Fisher关系（sTFR），在固定斜率下拟合零点。
• 估算2 R_e内的动力学质量M_dyn，并利用恒星质量和气体质量估计值，推导出重子质量与动力学质量之比。
• 通过将DSFGs在恒星-晕质量关系中的位置进行映射，推断反馈与加热机制的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 红移z ~ 1.3–2.6的尘埃遮蔽星系（DSFGs）在动力学上是否与旋转支持的盘状结构一致，还是更符合由并合驱动的湍流系统？
• RQ2 DSFGs的旋转速度v_rot和真实速度 dispersion σ₀与同红移范围内恒星形成活动较弱的星系相比如何？
• RQ3 恒星Tully-Fisher关系（sTFR）的归一化常数是否从z ~ 2演化到z ~ 0？这一演化对星系质量增长意味着什么？
• RQ4 在高红移DSFGs的大质量晕中，反馈与激波加热在调控恒星组分方面起何种作用？
• RQ5 在这些高红移系统中，重子质量在多大程度上分布于恒星成分之外？

主要发现

• 在31个DSFGs中，25个（81%）的旋转曲线能被Freeman盘模型良好拟合，表明其具有盘状动力学特征。
• 在2.2 R_d处的中值倾角修正后旋转速度为v_rot = 190 ± 30 km s⁻¹，中值真实速度 dispersion 为σ₀ = 87 ± 6 km s⁻¹。
• 中值v_rot/σ₀比值为2.4 ± 0.5，表明DSFGs虽高度湍流，但约50%的样本仍以旋转支持为主。
• 盘状DSFGs的恒星Tully-Fisher关系（sTFR）在z ~ 2到z ~ 0之间无归一化常数演化，最佳拟合零点为log₁₀(M_*/M☉) = 9.97 ± 0.09（当v_rot = 100 km s⁻¹时）。
• 在2 R_e内的中值动力学质量为M_dyn = (1.6 ± 0.3) × 10¹¹ M☉，中值恒星质量与动力学质量比为M_*/M_dyn = 0.94 ± 0.15。
• 在4 R_e内的中值重子质量与动力学质量比为M_bar/M_dyn = 0.36 ± 0.04，表明大部分重子质量位于恒星成分之外。