[论文解读] Morphological Transformation and Star Formation Quenching of Massive Galaxies at 0.5 < z < 2.5 in 3D-HST/CANDELS

Shuang Liu, Yizhou Gu+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 113被引用 5

一句话总结

本研究利用3D-HST/CANDELS巡天的多波段数据，调查了在0.5 ≤ z ≤ 2.5红移区间内，质量≥10¹⁰ M⊙的星系中，恒星质量、局域环境与活动星系核（AGN）反馈在驱动大质量星系形态演化与恒星形成抑制中的相互作用。研究发现，在高红移时，恒星形成抑制强烈依赖于质量，而在低红移时则转为依赖于环境；形态演化主要由质量驱动，并随时间增强，而AGN反馈在高红移时通过负反馈主导了安静型旋星系（qLs）的形成，而在低红移时通过正反馈主导了星形成型早型星系（sEs）的形成。

ABSTRACT

To figure out the effect of stellar mass and local environment on morphological transformation and star formation quenching in galaxies, we use the massive ($M_* \geq 10^{10} M_{\odot}$) galaxies at $0.5 \leq z \leq 2.5$ in five fields of 3D-HST/CANDELS. Based on the {\it UVJ} diagnosis and the possibility of possessing spheroid, our sample of massive galaxies are classified into four populations: quiescent early-type galaxies (qEs), quiescent late-type galaxies (qLs), star-forming early-type galaxies (sEs), and star-forming late-type galaxies (sLs). It is found that the quiescent fraction is significantly elevated at the high ends of mass and local environmental overdensity, which suggests a clear dependence of quenching on both mass and local environment. Over cosmic time, the mass dependence of galaxy quiescence decreases while the local environment dependence increases. The early-type fraction is found to be larger only at high-mass end, indicating a evident mass dependence of morphological transformation. This mass dependence becomes more significant at lower redshifts. Among the four populations, the fraction of active galactic nucleus (AGN) in the qLs peaks at $2<z \leq 2.5$, and rapidly declines with cosmic time. The sEs are found to have higher AGN fractions of $20-30\%$ at $0.5\leq z<2$ . The redshift evolution of AGN fractions in the qLs and sEs suggests that the AGN feedback could have played important roles in the formation of the qLs and sEs.

研究动机与目标

• 为了厘清恒星质量与局域环境在驱动大质量高红移星系恒星形成抑制与形态演化中的作用。
• 为了探究红旋星系（qLs）与蓝椭圆星系（sEs）的形成机制，以打破恒星形成抑制与形态变化之间的混淆。
• 为了评估AGN反馈（正向与负向）在塑造不同星系族群演化路径中的贡献。
• 为了量化安静星系与形态分数的红移演化，并确定演化过程的时标。

提出的方法

• 利用UVJ诊断与球状结构概率，将3D-HST/CANDELS五个场中的大质量星系（M∗ ≥ 10¹⁰ M⊙）划分为四类：安静早型星系（qEs）、安静旋星系（qLs）、星形成早型星系（sEs）与星形成旋星系（sLs）。
• 采用三维自适应核密度平滑技术测量局域环境的密度过量，以评估局域密度在星系演化中的作用。
• 分析安静星系与早型星系分数的红移依赖性趋势，以评估质量与环境依赖性的演化。
• 计算四类子样本中AGN的分数，以评估AGN反馈在恒星形成抑制与形态演化中的作用。
• 通过比较各类星系分数的红移演化，估算平均演化与抑制时标。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星形成抑制对恒星质量与局域环境的依赖性如何随宇宙时演化？
• RQ2 质量与环境在驱动大质量星系形态演化中各自扮演何种相对角色？
• RQ3 为何存在安静型旋星系（qLs）与星形成型早型星系（sEs）？其形成机制是什么？
• RQ4 AGN反馈过程（正向与负向）如何分别促进qLs与sEs的形成？

主要发现

• 安静星系分数在高恒星质量与高局域密度区域显著上升，表明恒星形成抑制强烈依赖于质量和环境。
• 恒星形成抑制的质量依赖性随宇宙时间减弱，而环境依赖性仅在z < 1.0时变得显著，表明抑制机制从质量主导转向环境主导。
• 形态演化表现出强烈的质量依赖性，早型星系分数仅在高质质量下上升，且该依赖性随红移降低而增强。
• qLs中AGN分数在2 < z ≤ 2.5时达到峰值（表明负向AGN反馈驱动其形成），并随时间迅速下降；而sEs在0.5 ≤ z < 2时AGN分数达20–30%，表明正向AGN反馈可能驱动其形成。
• qLs的形成可能由高红移（z > 2）时的负向AGN反馈主导，而环境抑制在z < 1.5时成为主导机制。