[论文解读] Observational evidence of galaxy assembly bias

Antonio D. Montero-Dorta, E. Pérez+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 48被引用 26

一句话总结

本研究通过分析斯隆数字巡天三期BOSS巡天中的30万颗明亮红序星系（LRGs），提供了星系组装偏置的观测证据。利用恒星形成历史与团聚度测量，研究发现：尽管恒星质量相似，但快速形成星系（在z≈5时已形成80%的恒星质量）比缓慢形成星系（在z≈1.5时形成相同质量）表现出更强的团聚度，并位于更致密的大尺度结构中，表明星系团聚度不仅取决于质量，还受暗物质晕组装历史的影响。

ABSTRACT

We analyze the spectra of 300,000 luminous red galaxies (LRGs) with stellar masses $M_* \gtrsim 10^{11} M_{\odot}$ from the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). By studying their star-formation histories, we find two main evolutionary paths converging into the same quiescent galaxy population at $z\sim0.55$. Fast-growing LRGs assemble $80\%$ of their stellar mass very early on ($z\sim5$), whereas slow-growing LRGs reach the same evolutionary state at $z\sim1.5$. Further investigation reveals that their clustering properties on scales of $\sim$1-30 Mpc are, at a high level of significance, also different. Fast-growing LRGs are found to be more strongly clustered and reside in overall denser large-scale structure environments than slow-growing systems, for a given stellar-mass threshold. Our results imply a dependence of clustering on stellar-mass assembly history (naturally connected to the mass-formation history of the corresponding halos) for a homogeneous population of similar mass and color, which constitutes a strong observational evidence of galaxy assembly bias.

研究动机与目标

• 探究星系团聚度是否在总质量之外还受恒星质量组装历史的影响。
• 解决以往研究中因卫星星系污染和质量错配导致的星系组装偏置争议。
• 利用一个同质、大规模的LRG样本，且卫星星系污染极少，以隔离组装历史的影响。
• 通过随机模拟样本测试团聚度差异是由恒星质量还是形成历史驱动。
• 确认快速形成LRGs在大尺度结构中的密度高于缓慢形成LRGs，且该差异与质量无关。

提出的方法

• 分析来自BOSS DR12的30万颗LRGs的综合光谱，其恒星质量M* ≥ 10^11 M☉，红移0.5 < z < 0.6，使用恒星群体合成模型拟合得到星族参数。
• 通过全光谱拟合推导恒星形成历史（SFHs），将星系分类为快速形成与缓慢形成两类。
• 测量投影两点相关函数（w(rp)），在1–30 Mpc尺度上比较快速形成与缓慢形成LRGs的团聚度幅度。
• 对每类LRG与完整样本进行互相关分析，评估环境密度差异。
• 生成随机化模拟LRG样本，其恒星质量相同但星族形成历史随机化，以检验团聚度差异是否由质量驱动。
• 采用宇宙学参数ΩM=0.307，ΩΛ=0.693，H0=67.8 km s⁻¹ Mpc⁻¹（Planck 2014），并使用AB星等以保持一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在恒星质量相近的情况下，具有不同恒星形成历史的LRGs是否表现出不同的团聚度特性？
• RQ2 快速形成与缓慢形成LRGs之间观测到的团聚度差异是由恒星质量还是形成历史导致？
• RQ3 与质量相近的缓慢形成LRGs相比，快速形成LRGs是否位于更致密的大尺度结构中？
• RQ4 团聚度幅度差异是否可由质量错配或系统误差解释，还是指向星系组装偏置？
• RQ5 对于大质量、宁静的星系，形成历史引起的晕偏置水平如何？

主要发现

• 快速形成LRGs在z ≈ 5前已形成80%的恒星质量，而缓慢形成LRGs则在z ≈ 1.5时达到相同质量，表明存在两种截然不同的演化路径。
• 在1–30 Mpc尺度上，快速形成LRGs的团聚度幅度比缓慢形成LRGs高出约20%，显著性水平超过5σ。
• 即使在控制恒星质量后，该团聚度差异依然存在；随机模拟样本显示幅度差异小于5%。
• 互相关函数结果证实，快速形成LRGs位于整体更致密的大尺度结构环境中，1–30 Mpc尺度上幅度高出约10%。
• 观测到的晕偏置比值约10%与理论预期一致，即在固定质量下，晕的集中度与形成时间依赖关系。
• 这些结果为星系团聚度与恒星质量组装历史之间的直接观测联系提供了首个确凿证据，且基于一个同质、大质量、中心集中星系群体。