[论文解读] Morphologies of ~190,000 Galaxies at z=0-10 Revealed with HST Legacy Data I. Size Evolution

Takatoshi Shibuya, Masami Ouchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 8

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的遗产数据，对约19万个星系在红移z=0至z=10之间的有效半径（r_e）演化进行了分析，采用一致的形态测量方法，并对K校正、选择偏差和表面亮度衰减进行了校正。研究发现r_e ∝ (1+z)^{-1.10±0.06}，且大小-光度关系的斜率和Sérsic指数（n≈1.5）无显著演化，从z=0到z=8，r_e/r_vir ≈ 1.0–3.5%保持近似恒定，表明高红移星形成星系中存在类似盘状的恒星组分，其角动量比j_d/m_d ≈ 0.5–1。

ABSTRACT

We present redshift evolution of galaxy effective radius r_e obtained from the HST samples of ~190,000 galaxies at z=0-10. Our HST samples consist of 176,152 photo-z galaxies at z=0-6 from the 3D-HST+CANDELS catalogue and 10,454 LBGs at z=4-10 identified in CANDELS, HUDF09/12, and HFF parallel fields, providing the largest data set to date for galaxy size evolution studies. We derive r_e with the same technique over the wide-redshift range of z=0-10, evaluating the optical-to-UV morphological K-correction and the selection bias of photo-z galaxies+LBGs as well as the cosmological surface brightness dimming effect. We find that r_e values at a given luminosity significantly decrease towards high-z, regardless of statistics choices. For star-forming galaxies, there is no evolution of the power-law slope of the size-luminosity relation and the median Sersic index (n~1.5). Moreover, the r_e-distribution is well represented by log-normal functions whose standard deviation σ_{\ln{r_e}} does not show significant evolution within the range of σ_{\ln{r_e}}~0.45-0.75. We calculate the stellar-to-halo size ratio from our r_e measurements and the dark-matter halo masses estimated from the abundance matching study, and obtain a nearly constant value of r_e/r_vir=1.0-3.5% at z=0-8. The combination of the r_e-distribution shape+standard deviation, the constant r_e/r_vir, and n~1.5 suggests a picture that typical high-z star-forming galaxies have disk-like stellar components in a sense of dynamics and morphology over cosmic time of z~0-6. If high-z star-forming galaxies are truly dominated by disks, the r_e/r_vir value and the disk formation model indicate that the specific angular momentum of the disk normalized by the host halo is j_d/m_d=0.5-1. These are statistical results for galaxies' major stellar components, and the detailed study of clumpy sub-components is presented in the paper II.

研究动机与目标

• 在z=0至10范围内，以高统计功效测量星系有效半径（r_e）的红移演化。
• 以一致方式校正观测偏差，包括光谱红移选择、K校正和宇宙学表面亮度衰减。
• 确定大小-光度关系和结构参数（如Sérsic指数）是否随红移演化。
• 估算恒星与晕大小比（r_e/r_vir），并推断星系形成过程中的角动量转移。
• 检验高红移星形成星系具有盘状形态的假设，基于大小和结构统计。

提出的方法

• 结合来自3D-HST+CANDELS的176,152个光谱红移星系和来自CANDELS、HUDF09/12及HFF区域的10,454个莱曼断裂星系（LBGs），覆盖z=4–10的红移范围。
• 采用相同的拟合技术（如Sérsic轮廓）对z=0至10的全红移范围内统一进行形态拟合，以推导r_e。
• 对光谱红移和LBG样本中的光学至紫外形态K校正及选择偏差进行校正。
• 在大小测量中考虑宇宙学表面亮度衰减的影响。
• 利用丰度匹配法，从恒星质量估算暗物质晕的virial半径（r_vir）。
• 将r_e分布建模为对数正态分布，并将其宽度（σ_ln(re)）与晕角动量参数（λ）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系的有效半径（r_e）从z=0到z=10如何随红移演化？
• RQ2 星系的大小-光度关系和Sérsic指数（n）是否随红移演化？
• RQ3 星系大小分布是否可用对数正态函数良好描述，其宽度（σ_ln(re)）是否演化？
• RQ4 恒星与晕大小比（r_e/r_vir）是多少，是否在宇宙时空中保持恒定？
• RQ5 高红移星系的结构和动力学特性对理解其形成机制有何启示？

主要发现

• 有效半径r_e的演化满足r_e ∝ (1+z)^{-1.10±0.06}（中位数统计），表明向高红移方向存在强烈的大小演化。
• 从z≈0到z≈8，大小-光度关系的幂律斜率保持恒定，为α = -0.27 ± 0.01，无显著演化。
• 星系形成星系的Sérsic指数保持近似恒定在n ≈ 1.5，表明其具有盘状形态。
• r_e分布可良好地由对数正态函数描述，其宽度σ_ln(re) ≈ 0.45–0.75，从z=0到z=6无显著演化。
• 恒星与晕大小比r_e/r_vir在z=0至z=8间近似恒定，为1.0–3.5%，支持稳定的结构关系。
• 结合恒定的r_e/r_vir、对数正态的r_e分布以及n ≈ 1.5的低值，表明高红移星形成星系具有类似盘状的恒星组分，其角动量比j_d/m_d ≈ 0.5–1，表明晕中存在显著的角动量转移。