[论文解读] Observed structural parameters of EAGLE galaxies: reconciling the mass-size relation in simulations with local observations

Anna de Graaff, James W. Trayford+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 91被引用 56

一句话总结

本研究通过使用辐射转移方法在r波段生成EAGLE星系的真实模拟图像以包含尘埃效应，随后通过Sérsic轮廓拟合测量结构参数——与观测方法保持一致——从而调和了模拟与观测的星系大小-质量关系。结果表明，使用r波段半光半径可将模拟与观测之间的大小差异减少至仅0.1 dex，显著改善了对星系形成星系与宁静星系的符合度。

ABSTRACT

We use mock images of $z=0.1$ galaxies in the 100 Mpc EAGLE simulation to establish the differences between the sizes and morphologies inferred from the stellar mass distributions and the optical light distributions. The optical, $r$-band images used were constructed with a radiative transfer method to account for the effects of dust, and we measure galaxy structural parameters by fitting S\'ersic models to the images with Galfit. We find that the derived $r$-band half-light radii differ systematically from the stellar half-mass radii, as the $r$-band sizes are typically 0.1 dex larger, and can deviate by as much as $\approx0.5$ dex. The magnitude of this size discrepancy depends strongly on the dust attenuation and star formation activity within the galaxy, as well as the measurement method used. Consequently, we demonstrate that the $r$-band sizes significantly improve the agreement between the simulated and observed stellar mass-size relation: star-forming and quiescent galaxies in EAGLE are typically only slightly larger than observed in the GAMA survey (by 0.1 dex), and the slope and scatter of the local mass-size relation are reproduced well for both populations. Finally, we also compare the obtained morphologies with measurements from GAMA, finding that too few EAGLE galaxies have light profiles that are similar to local early-type galaxies (S\'ersic indices of $n\sim 4$). Despite the presence of a significant population of triaxial systems among the simulated galaxies, the surface brightness and stellar mass density profiles tend to be closer to exponential discs ($n\sim1-2$). Our results highlight the need to measure the sizes and morphologies of simulated galaxies using common observational methods in order to perform a meaningful comparison with observations.

研究动机与目标

• 解决宇宙学模拟中星系尺寸持续被高估的问题，相较于本地观测结果。
• 探究恒星质量分布与光学光分布之间的差异如何影响模拟中星系尺寸的测量。
• 评估尘埃消光与测量方法对模拟质量-大小关系的影响。
• 评估EAGLE星系是否再现了观测到的形态学特性，特别是Sérsic指数与轴比。
• 通过应用相同的观测分析技术，实现模拟与观测星系之间公平、直接的对比。

提出的方法

• 使用SKIRT辐射转移代码生成红移z = 0.1的EAGLE星系的r波段模拟图像，以包含尘埃吸收与散射效应。
• 在模拟图像中加入真实噪声并匹配空间分辨率，以模拟SDSS类的测光数据。
• 生成第二组基于恒星质量的图像，采用与光学图像相同的噪声与分辨率，以实现直接对比。
• 使用SExtractor进行源检测，使用Galfit对光学图像与质量图像均进行Sérsic模型拟合，提取半光半径与半质量半径。
• 测量Sérsic指数、轴比与表面亮度分布，以比较模拟与观测的形态学特征。
• 对模拟与观测的GAMA巡天数据进行系统性对比，重点关注质量-大小关系与结构参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 从模拟光学图像中得到的r波段半光半径与EAGLE模拟中的恒星半质量半径相比如何？
• RQ2 尘埃消光与M*/L梯度在多大程度上影响了模拟星系尺寸的推断？
• RQ3 对模拟观测数据进行Sérsic轮廓拟合，是否能改善模拟与观测质量-大小关系的一致性？
• RQ4 EAGLE星系在Sérsic指数与轴比分布上，是否在形态学上与观测到的本地星系一致？
• RQ5 模拟空间分辨率、反馈模型与压力截断在类经典核球星系代表性不足的问题中起到何种作用？

主要发现

• r波段半光半径平均比恒星半质量半径大0.1 dex，部分异常值偏差达0.5 dex，主要源于M*/L梯度的影响。
• r波段与质量基尺寸之间的差异主要由尘埃消光、恒星形成活动与测量方法共同驱动。
• 当使用Sérsic拟合得到的r波段半光半径时，模拟中星系形成星系与宁静星系的质量-大小关系与GAMA观测结果的偏差仅为0.1 dex以内。
• 当采用观测测量技术时，EAGLE模拟能良好再现观测质量-大小关系的斜率与弥散度。
• EAGLE星系在Sérsic指数≈4的类核球系统方面存在不足，其表面亮度与质量密度分布过于盘状（n ≈ 1–2）。
• 大质量宁静EAGLE星系比其观测对应体更具三轴性，相同Sérsic指数下中位轴比更低，表明其缺乏圆形、球状形态。