[论文解读] MaNGA DynPop -- V. The dark-matter fraction versus stellar velocity dispersion relation and stellar initial mass function variations in galaxies: dynamical models and full spectrum fitting of integral-field spectroscopy

Shengdong Lu, Kai Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

摘要：本研究利用 Jeans Anisotropic Modelling 和基于 SPS 的光/Sigma 质量比，在 MaNGA DR17 样本上分析暗物质分量在半光半径内的变化，以及初始质量函数（IMF）随恒星速度分散的变化，关注 IMF 趋势及其光谱特征。结果显示在较低速度分散下暗物质分数增加的趋势，以及随速度分散变化的 IMF 变异，并且对 IMF 敏感的光谱差异的证据边际性显现。

ABSTRACT

Using the final MaNGA sample of 10K galaxies, we investigate the dark matter fraction $f_{ m DM}$ within one half-light radius $R_{ m e}$ for about 6K galaxies with good kinematics spanning a wide range of morphologies and stellar velocity dispersion. We employ two techniques to estimate $f_{ m DM}$: (i) Jeans Anisotropic Modelling (JAM), which performs dark matter decomposition based on stellar kinematics and (ii) comparing the total dynamical mass-to-light ratios $(M/L)_{ m JAM}$ and $(M_{\ast}/L)_{ m SPS}$ from Stellar Population Synthesis (SPS). We find that both methods consistently show a significant trend of increasing $f_{ m DM}$ with decreasing $σ_{ m e}$ and low $f_{ m DM}$ at larger $σ_{ m e}$. For 235 early-type galaxies with the best models, we explore the variation of stellar initial mass function (IMF) by comparing the stellar mass-to-light ratios from JAM and SPS. We confirm that the stellar mass excess factor $α_{ m IMF}$ increases with $σ_{ m e}$, consistent with previous studies that reported a transition from Chabrier-like to Salpeter IMF among galaxies. We show that the $α_{ m IMF}$ trend cannot be driven by $M_{\ast}/L$ or IMF gradients as it persists when allowing for radial gradients in our model. We find no evidence for the total $M/L$ increasing toward the centre. We detect weak positive correlations between $α_{ m IMF}$ and age, but no correlations with metallicity. We stack galaxy spectra according to their $α_{ m IMF}$ to search for differences in IMF-sensitive spectral features (e.g. the $ m Na_{ m I}$ doublet). We only find marginal evidence for such differences, which casts doubt on the validity of one or both methods to measure the IMF.

研究动机与目标

• 通过动态与基于 SPS 的方法量化半光半径内暗物质分数与恒星速度分散的相关性。
• 通过对比 JAM 基于质量光比与 SPS 基于质量光比，在大规模 MaNGA 样本中研究 IMF 变异。
• 评估通过动力学推断的 IMF 变异是否与 IMF 敏感的光谱特征指示一致。
• 考察 IMF 指示物与年龄、金属丰度的相关性，并用高质量星系的分层（黄金）样本测试鲁棒性。
• 探讨动力学与光谱 IMF 推断中的潜在偏差或简并性，并讨论对 IMF 普遍性的影响。
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提出的方法

• 对全 MaNGA 样本应用轴对称的 Jeans Anisotropic Modelling (JAM)，在多种暗晕形状（MFL、NFW、gNFW）下推导暗物质和恒星质量分量。
• 从 JAM（NFW/gNFW）和基于 SPS 的估计中计算 Re 内的暗物质分数 f_DM，作为替代性交叉检查使用 f_DM = 1 - (M/L_SPS)/(M/L_JAM)。
• 在半光椭圆内对堆叠光谱应用 SPS 拟合（ppxf），推导全局光度加权年龄、金属丰度 [Z/H]，以及固定 Salpeter IMF 与 MIST 等同年代标的下的 M*/L_SPS。
• 使用 Paper II 的 SPS 因子对 JAM 的质量光度比进行尘埃衰减校正，以实现稳健的 M/L 比较。
• 定义恒星质量超额因子 alpha_IMF = (M*/L_JAM)/(M*/L_SPS)，以探查速度分散下 IMF 形状的变化。
• 通过 alpha_IMF 堆叠光谱，搜索 IMF 敏感特征（如 Na I），并评估 IMF 变异的光谱证据。
• 样本选择从约 9878 具有动力学与恒星群体属性的星系开始；高质量的“黄金”样本（Qual=3）包含 909 个星系，其中有 235 个在形态学上被分类为早型（T-Type ≤ 0）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Re 内的暗物质分数与 MaNGA 星系的恒星速度分散之间的关系是什么？
• RQ2 JAM 与 SPS 派生的质量光比在揭示暗物质含量和 IMF 相关变异方面是否一致？
• RQ3 IMF 指示符 alpha_IMF 是否与年龄和金属丰度相关，以及在按 alpha_IMF 堆叠时是否出现光谱 IMF 信号？
• RQ4 在仅限高质量早型星系（黄金样本）以及比较不同 JAM 暗晕假设时，IMF 趋势是否稳健？

主要发现

• 在 Re 内，暗物质分数随速度分散的增加而下降，在 log10(sigma_e) ~ 2.1 附近开始下降，在较高 sigma_e 时非常低（在 JAM-NFW 与基于 SPS 的估计之间一致）。
• 基于 JAM 的总 M/L 显示随 sigma_e 出现抛物线趋势，而 JAM 基于的恒星 M/L 与 SPS 基于的 M*/L 约与 sigma_e 线性相关，暗物质在低 sigma_e 处占主导，而在高 sigma_e 时 DM 贡献下降。
• IMF 过剩 alpha_IMF 随 sigma_e 增加，支持在高分散的星系中从 Chabrier-y 风格向 Salpeter 风格 IMF 的转变；与年龄有弱正相关，但与 [Z/H] 未观察到明确相关性。
• 按 alpha_IMF 堆叠的光谱在 IMF 敏感特征（如 Na I）上仅呈现边际差异，质疑任一方法对 IMF 的推断或在这些数据中 IMF 指示的普遍性。
• 在黄金样本（Qual=3；235 个 ETG）的分析中，关于 IMF 的趋势仍然稳健，尽管作者指出潜在的简并性以及从综合光谱解释 IMF 的挑战。
• 总体上，动力学方法与基于 SPS 的方法在信号上趋向一致，显示 DM 分数随 sigma_e 增加而下降直至约 log10(sigma_e)=2.2，随后在更高分散度处趋于平台期或轻微上升。