[论文解读] Must Starforming Galaxies Rapidly Get Denser Before They Quench?

Louis E. Abramson, Takahiro Morishita|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究挑战了星系必须通过致密化（密度快速增加）来熄灭恒星形成活动的假设。利用深空哈勃望远镜数据和经验分析，研究发现没有证据表明存在触发熄灭的密度阈值；相反，星系在恒定表面密度下演化，更致密的星系因形成时序更早而老化更快。关键结果表明，熄灭可仅通过气体耗尽解释，无需依赖致密化触发的反馈机制。

ABSTRACT

Using the deepest data yet obtained, we find no evidence preferring compaction-triggered quenching---where rapid increases in galaxy density truncate star formation---over a null hypothesis in which galaxies age at constant surface density ($Σ_e\equiv M_*/2πr_{e}^{2}$). Results from two fully empirical analyses and one quenching-free model calculation support this claim at all $z\leq3$: (1) Qualitatively, galaxies' mean $U-V$ colors at $6.5\lesssim\logΣ_e/{ m M_\odot}\,{ m kpc}^{-2}\lesssim10$ have reddened at rates/times correlated with $Σ_e$, implying that there is no density threshold at which galaxies turn red but that $Σ_e$ sets the pace of maturation; (2) Quantitatively, the abundance of $\log M_*/{ m M_\odot}\geq9.4$ red galaxies never exceeds that of the total population a quenching time earlier at any $Σ_e$, implying that galaxies need not transit from low to high densities before quenching; (3) Applying $d\log r_{e}/dt =1/2\,d\log M_*/dt$ to a suite of lognormal star formation histories reproduces the evolution of the size--mass relation at $\log M_*\geq10$. All results are consistent with evolutionary rates being set ab initio by global densities, with denser objects evolving faster than less-dense ones towards a terminal quiescence induced by gas depletion or other $\sim$Hubble-timescale phenomena. Unless stellar ages demand otherwise, observed $Σ_e$ thresholds need not bear any physical relation to quenching beyond this intrinsic density--formation epoch correlation, adding to Lilly & Carollo's arguments to that effect.

研究动机与目标

• 检验星系在熄灭前是否必须经历快速致密化（表面恒星质量密度增加）
• 确定观测到的高密度与宁静星系之间的相关性是否反映因果关系（致密化）或相关性（固有演化速度）
• 评估假设星系恒星形成阶段表面密度恒定的模型，能否重现观测到的大小-质量关系与颜色-密度关系
• 评估高红移处大质量红星系的丰度是否需要预熄灭阶段的密度增加，或可由形成时序驱动的演化解释
• 在不引入致密化机制的前提下，调和模型与观测之间在星系大小分布上的差异

提出的方法

• 分析来自XDF、HLF、HFF和GLASS巡天的哈勃空间望远镜深度数据，测量 $ z \leq 3 $ 时星系的恒星质量、有效半径和U-V颜色
• 通过UVJ标准对宁静星系与恒星形成星系进行分类，经验追踪 $ U-V $ 颜色随表面恒星质量密度 $ \Sigma_e \equiv M_\ast / (2\pi r_e^2) $ 的演化
• 将不同 $ \Sigma_e $ 和红移下 $ \log M_\ast \geq 9.4 $ 的大质量红星系观测丰度，与假设熄灭发生在恒定 $ \Sigma_e $ 下约10亿年前的预测丰度进行比较
• 采用对数正态恒星形成历史模型，其中 $ d\log r_e/dt = \frac{1}{2} d\log M_\ast/dt $，模拟恒定 $ \Sigma_e $ 下的大小-质量演化，匹配 $ \log M_\ast \geq 10 $ 时的观测大小-质量关系
• 通过将G13模型中的边界条件调整，将 $ z=0 $ 时宁静星系的 $ r_{e,0} $ 向下偏移0.2 dex，以改善与观测大小的一致性，同时保持核心的 $ \Sigma_e $ 守恒假设不变
• 通过20次体积归一化重采样和 $ \chi^2 $ 检验，对不同红移区间内的模型-数据一致性进行统计检验

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一个物理上的表面恒星质量密度 $ \Sigma_e $ 阈值，使得星系在达到该值时被触发熄灭？
• RQ2 观测到的高 $ \Sigma_e $ 与宁静状态之间的相关性，能否通过星系在恒定 $ \Sigma_e $ 下演化、更致密星系因更早形成而老化更快来解释？
• RQ3 如果熄灭发生在恒定 $ \Sigma_e $ 下约10亿年前，高红移处大质量红星系的丰度是否超过预期？若超过，则暗示需要预熄灭阶段的密度增加？
• RQ4 假设恒定 $ \Sigma_e $ 增长和对数正态SFR历史，能否重现 $ \log M_\ast \geq 10 $ 星系在 $ z \leq 3 $ 时的大小-质量关系？
• RQ5 高红移宁静星系观测与预测大小之间的差异，是由于模型边界条件问题，还是致密化的证据？

主要发现

• 所有 $ \Sigma_e \gtrsim 10^{6.5} \, M_\odot \, \text{kpc}^{-2} $ 的星系均表现出与 $ \Sigma_e $ 相关的 $ U-V $ 颜色变红，但无明显突变或阈值，表明不存在密度触发的熄灭
• 观测到的 $ \log M_\ast \geq 9.4 $ 红星系丰度从未超过假设熄灭发生在恒定 $ \Sigma_e $ 下约10亿年前的预测值，表明无需预熄灭阶段的密度增加
• 假设 $ d\log r_e/dt = \frac{1}{2} d\log M_\ast/dt $ 且 $ \Sigma_e $ 恒定的模型，能合理重现 $ z \leq 3 $ 时 $ \log M_\ast \geq 10 $ 星系的观测大小-质量关系，且 $ \chi^2 $ 值合理
• 在 $ z \sim 1.2 $–3 范围内，该模型对最致密的约5%星系的预测值偏低约3倍，但此偏差不具强统计显著性，可能通过调整边界条件解决
• 对G13模型的简单修改——将 $ z=0 $ 时宁静星系的 $ r_{e,0} $ 向下偏移0.2 dex——可消除 $ \log M_\ast \sim 10.7 $ 星系在 $ z < 3 $ 时的大小差异，且无需引入致密化机制
• 结果与熄灭由哈勃时标过程（如气体耗尽）驱动的假设一致，更致密星系更早熄灭并非由于致密化，而是由于更早的形成时期