[论文解读] MaNGA DynPop -- III. Stellar dynamics versus stellar population relations in 6000 early-type and spiral galaxies: Fundamental Plane, mass-to-light ratios, total density slopes, and dark matter fractions

Kai Zhu, Shengdong Lu+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 152被引用 4

一句话总结

本研究基于MaNGA巡天对6,000个邻近的早型与晚型星系进行了动力学标度关系分析，通过质量平面将质量、大小与速度 dispersion 关联起来。研究揭示了在低速度 dispersion 时由暗物质主导的抛物形M/L–σ关系，且在高速 dispersion 时总密度剖面斜率变陡；在σ < 100 km s⁻¹时，中位暗物质分数从8%上升至33%。

ABSTRACT

We present dynamical scaling relations, combined with the stellar population properties, for a subsample of about 6000 nearby galaxies with the most reliable dynamical models extracted from the full MaNGA sample of 10K galaxies. We show that the inclination-corrected mass plane (MP) for both early-type galaxies (ETGs) and late-type galaxies (LTGs), which links dynamical mass, projected half-light radius $R_{ m e}$, and the second stellar velocity moment $σ_{ m e}$ within $R_{ m e}$, satisfies the virial theorem and is even tighter than the uncorrected one. We find a clear parabolic relation between $\lg(M/L)_{ m e}$, the total mass-to-light ratio within a sphere of radius $R_{ m e}$, and $\lgσ_{ m e}$, with the $M/L$ increasing with $σ_{ m e}$ and for older stellar populations. However, the relation for ETGs is linear and the one for the youngest galaxies is constant. We confirm and improve the relation between average logarithmic total density slopes $\overline{γ_{ m T}}$ and $σ_{ m e}$: $\overline{γ_{ m T}}$ become steeper with increasing $σ_{ m e}$ until $\lg(σ_{ m e}/{ m km\,s^{-1}})\approx 2.2$ and then remain constant around $\overline{γ_{ m T}}\approx -2.2$. The $\overline{γ_{ m T}}-σ_{ m e}$ variation is larger for LTGs than ETGs. At fixed $σ_{ m e}$ the total density profiles steepen with galaxy age and for ETGs. We find generally low dark matter fractions, median $f_{ m DM}(

研究动机与目标

• 利用MaNGA的空间分辨运动学数据，为一个大规模且多样化的6,000个邻近星系样本建立紧密的动力学标度关系，特别是质量平面。
• 研究恒星动力学（如质量-光度比、密度斜率）与恒星星族特性（如年龄、金属丰度）在不同星系类型中的相互作用。
• 量化有效半径（Rₑ）内的暗物质分数，并评估其对动力学与恒星星族参数的依赖性。
• 测试在不同假设下（包括空间可变的恒星质量-光度比）动力学模型的鲁棒性。
• 从星系形成情景（如星系核球增长与干合并）的角度解释观测到的趋势。

提出的方法

• 利用MaNGA积分场光谱获取的空间分辨恒星速度 dispersion 数据，采用杰恩各向异性建模（JAM）方法，推导出Rₑ内的总质量与质量-光度比（M/L）。
• 通过倾角校正计算质量平面，结合动力学质量、投影半光半径（Rₑ）与二阶矩速度 dispersion（σₑ），验证其紧密性与维里定理的一致性。
• 基于质量分布的径向依赖关系，利用JAM模型推导总密度斜率（γ_T），并与NFW及gNFW暗物质晕模型结果进行比较。
• 通过将动力学获得的总质量与星族合成（SPS）模型得到的恒星质量进行比较，计算暗物质分数f_DM(<Rₑ)，并整合来自第二篇论文的M/L梯度。
• 采用LOESS平滑与统计拟合方法，建模M/L、σₑ、γ_T、f_DM与恒星星族参数之间的关系，同时考虑测量误差与样本选择效应。
• 通过在M_JAM–Rₑ^maj平面上映射动力学特性，探讨演化解释，提出两种演化路径：核球增长与干合并。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用动力学质量而非光度时，质量平面与基础平面关系如何表现？倾角校正如何影响其紧密性？
• RQ2 总质量-光度比（M/L）ₑ与速度 dispersion σₑ之间的关系本质是什么？其受恒星星族年龄影响如何？
• RQ3 总密度斜率γ_T如何随σₑ变化？星系类型与年龄在塑造该关系中起什么作用？
• RQ4 暗物质分数f_DM(<Rₑ)对σₑ与恒星质量的依赖关系如何？其在不同星系类型中如何变化？
• RQ5 关于恒星M/L比空间变化的假设在多大程度上影响推断的暗物质分数与动力学关系？

主要发现

• 早型与晚型星系的倾角校正质量平面比未校正版本更紧密，且满足维里定理。
• log(M/L)ₑ与log(σₑ)之间存在抛物线关系，M/L在高σₑ与低σₑ时均上升，其原因在于低σₑ时暗物质分数上升。
• 总密度斜率γ_T随σₑ增加至log(σₑ/km s⁻¹) ≈ 2.2后趋于饱和，稳定在≈2.2，且晚型星系的斜率变化更陡峭。
• Rₑ内中位暗物质分数为8%，但在σₑ < 100 km s⁻¹的星系中上升至33%，这解释了M/L–σₑ的抛物线趋势。
• 引入空间可变的恒星M/L梯度后，f_DM(<Rₑ)分别增加约7%（NFW模型）与13%（gNFW模型），但未定性改变f_DM–M*关系。
• 在M_JAM–Rₑ^maj平面上的动力学特性与两种演化路径一致：核球增长（σₑ增加、γ_T变陡、f_DM减少）与干合并（M_JAM增加、λ_Rₑ减少、γ_T变平、f_DM基本不变）。