[论文解读] No evidence for evolution in the typical rest-frame UV sizes or morphologies of L_* galaxies at 4<z<8

Emma Curtis-Lake, R. J. McLure+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 5

一句话总结

本研究利用 CANDELS、HUDF 及并行场的深空成像，分析了 4<z<8 红移区间内 L* 星系在 rest-frame UV 波段的大小与形态。通过使用对数正态分布峰值建模大小分布并校正测量偏差，发现亮度星系的大小（n = -0.31 ± 0.26）与形态在宇宙时空中无显著演化，表明尽管回溯时间增加，高红移星系的结构与 z~4 时的星系相似。

ABSTRACT

We present the results of a study investigating the sizes and morphologies of redshift 4<z<8 galaxies in the CANDELS GOODS-S, HUDF and HUDF parallel fields. Based on non-parametric measurements and incorporating a careful treatment of measurement biases, we quantify the typical size of galaxies at each redshift as the peak of the log-normal size distribution, rather than the arithmetic mean size. Parameterizing the evolution of galaxy half-light radius as r_50\propto(1+z)^n, we find n=-0.31+/-0.26 at bright UV-luminosities (0.3L_*(z=3)<L<L_*) and n=-0.61+/-0.53 at faint luminosities (0.12L_*<L<0.3L_*). Furthermore, simulations based on artificially redshifting our z~4 galaxy sample show that we cannot reject the null hypothesis of no size evolution. This result is fundamentally caused by the systematic under-estimation of the largest galaxy sizes and the size-dependent completeness of high redshift samples. To explore the evolution of galaxy morphology we first compare asymmetry measurements to those from a large sample of simulated single S\'ersic profiles, in order to robustly categorise galaxies as either `smooth' or `disturbed'. Comparing the disturbed fraction amongst bright (MUV <= -20) galaxies at each redshift to that obtained by artificially redshifting our z~4 galaxy sample, while carefully matching the size and UV-luminosity distributions, we find no clear evidence for evolution in galaxy morphology over the redshift interval 4<z<8. Therefore, based on our results, a bright (MUV <= -20) galaxy at z~6 is no more likely to be measured as `disturbed' than a comparable galaxy at z~4.

研究动机与目标

• 调查 4<z<8 的 L* 星系在 rest-frame UV 波段的大小与形态是否与 z~4 星系相比表现出可测量的演化。
• 解决高红移星系大小测量中的系统性偏差，特别是对大尺寸的低估与尺寸相关的完整性问题。
• 确定形态扰动（非对称性）是否随红移增加，这可能表明更高红移时并合率上升或结构不稳定。
• 通过将真实数据与具有匹配光度和大小分布的人工红移 z~4 星系进行比较，检验无演化的零假设。
• 使用对数正态大小分布的峰值而非算术平均值，提供一种稳健且偏差校正的星系大小演化测量方法。

提出的方法

• 使用对数正态分布的峰值来量化星系大小，该方法在偏斜分布中比算术平均值更能代表典型大小。
• 通过 r_50 ∝ (1+z)^n 建模大小演化，其中 r_50 为半光半径，以量化 4<z<8 范围内的演化。
• 应用非参数测量（如 Gini、M_{20}），并与单 Sersic 模型比较，以稳健地将星系分类为“平滑”或“扰动”。
• 通过人工红移 z~4 星系样本生成合成星系样本，以模拟高红移观测，匹配大小与 UV 光度分布。
• 通过模拟完整观测过程（包括噪声、PSF 模糊化与源检测极限）来校正测量偏差。
• 通过将真实高红移样本中的扰动星系比例与人工红移 z~4 样本中的比例进行比较，检验无演化的零假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 4<z<8 的 L* 星系在 rest-frame UV 半光半径上是否表现出与 z~4 星系可测量的演化？
• RQ2 是否存在红移相关的非对称性增加，表明更高红移时并合率上升或结构不稳定？
• RQ3 测量偏差（特别是对大尺寸的低估与尺寸相关的完整性）在多大程度上影响了大小演化检测？
• RQ4 高红移时观测到的大小与形态分布能否通过将 z~4 星系简单地通过宇宙时移外推来解释？
• RQ5 在高红移巡天中，对数正态大小分布的峰值是否比算术平均值更可靠地估计典型星系大小？

主要发现

• 明亮 L* 星系（0.3L* < L < L*）的大小演化与无演化一致，幂律拟合结果为 n = -0.31 ± 0.26。
• 对于更暗的星系（0.12L* < L < 0.3L*），大小演化约束更弱，n = -0.61 ± 0.53，仍与无演化一致。
• 基于人工红移 z~4 星系的模拟表明，观测数据无法拒绝无大小演化的零假设。
• 未检测到演化的主因是高红移样本中对最大星系尺寸的系统性低估以及尺寸相关的完整性问题。
• 在明亮星系（MUV ≤ -20）中，扰动星系的比例从 z~4 到 z~6 无显著变化，表明形态不规则性未随时间增加。
• 在 z~6 时，一颗明亮星系被测量为“扰动”的可能性与 z~4 时的同类星系无异，支持星系结构在宇宙时空中保持稳定。