[论文解读] On the buildup of massive early-type galaxies at z≲1 I. Reconciling their hierarchical assembly with mass downsizing

M. C. Eliche‐Moral, M. Prieto+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 246被引用 28

一句话总结

本研究通过仅使用观测到的并合分数反向追踪其演化历史的半解析模型，检验了主要并合（湿并合、混合并合与干并合）是否能够解释 z ≲1 时大质量早型星系（mETGs）的形成。该模型成功再现了多波段和多种形态下的观测光度函数，表明约 50–60% 的现今 mETGs 通过层次并合形成，主要发生于 z ≈1 至 z ≈0.8 之间，通过考虑尘埃消光的星系（DSFs）造成的观测污染，调和了层次并合与质量向下演化之间的矛盾。

ABSTRACT

Context. Several studies have tried to ascertain whether the increase in abundance of the early-type galaxies (E-S0a's) with time is mainly due to major mergers, but have reached opposite conclusions. Aims. We have tested it directly through semi-analytical modelling, quantifying the possible contribution of the observed major mergers to the evolution of the high-mass end of the galaxy luminosity function (LF). Methods. The model analyses the backwards-in-time evolution of the massive early-type galaxies with log(M_*/M_⨀) > 11 at z∼0 (mETGs) under the hypothesis that each major merger leads to an early-type galaxy. The model considers only the major mergers strictly reported by observations at each redshift and assumes that gas-rich major mergers experience transitory phases as dust-reddened, star-forming galaxies (DSFs). Results. The model is able to reproduce the observed evolution of the galaxy LFs at z ≲ 1 simultaneously for different rest-frame bands (B, I, and K) and for different selection criteria on colour and morphology. It also provides a framework in which apparently contradictory results on the recent evolution of the LF of massive red galaxies can be reconciled, just considering that observed samples of red galaxies can be significantly contaminated by DSFs. The model proves that it is feasible to build up ∼50-60% of the present-day number density of mETGs at z≲1 through the coordinated action of wet, mixed, and dry major mergers, fulfilling global trends that are in general agreement with mass downsizing. The bulk of this assembly takes place during ∼1 Gyr elapsed at 0.8 < z < 1, providing a straightforward explanation for the observed fact that redshift z ∼ 0.8 is a transition epoch in the formation of mETGs. The gas-rich progenitors of these recently assembled mETGs reproduce the observed excess by a factor of ∼4-5 of late-type galaxies at 0.8 < z < 1 naturally, as compared to pure luminosity evolution (PLE) models. Conclusions. The model suggests that major mergers have been the main driver for the observed mass migration from the massive end of the blue galaxy cloud to that of the red sequence in the past ∼8 Gyr.

研究动机与目标

• 检验仅通过观测到的主要并合是否足以解释 z ≲1 时大质量早型星系（mETGs）的形成。
• 调和层次星系形成与质量向下演化现象之间的明显矛盾。
• 评估观测偏差（尤其是前体偏差和尘埃消光星系（DSFs）污染）对 mETG 光度函数演化解释的影响。
• 确定观测到的 mETGs 数密度在 z ≈1 以内缺乏演化是否源于内在演化，还是观测系统误差。

提出的方法

• 该模型仅使用每个红移处观测到的并合分数，从 z ≈0 反向追踪 mETGs（log(M*/M⊙) > 11）的演化。
• 假设每次主要并合都会形成一个新的 mETG，其中富含气体的并合会产生短暂的尘埃消光星系（DSF）阶段。
• 该模型使用 LSJ09 中观测到的并合分数来约束每个红移区间的并合数量。
• 将模型预测的静止系 B、I 和 K 波段光度函数（LFs）与不同选择标准（颜色、形态、光谱类型）的观测数据进行比较。
• 通过本地星系巡天（GOYA）导出的经验关系，实现 B 与 r∗ 波段之间的星等转换，假设两类星系（盘状与早型）均满足 M(B) ∝ M(r∗)。
• 通过结合 N03 和 C03 的数据，将观测到的本地光度函数分解为形态类型（E-S0a、Sa-Sab 等），确保不同波段和形态之间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的 mETGs 数密度在 z ≲1 的增加是否可以完全由观测到的主要并合解释，而无需引入额外的物理过程？
• RQ2 观测污染物（尤其是 DSFs）在多大程度上会偏差对 mETG 光度函数演化的解释？
• RQ3 该模型如何调和层次并合驱动的星系形成与质量向下演化趋势之间的矛盾，即大质量星系比小质量星系更早形成？
• RQ4 在 z ≈1 至 z ≈0.8 之间发生的并合中，可归因于现今 mETGs 的比例是多少？其形成峰值出现在何时？
• RQ5 该模型是否能再现观测到的在 0.8 < z < 1 区间内晚期型星系数量相比纯光度演化（PLE）模型多出约 4–5 倍的现象？

主要发现

• 该模型成功再现了 mETGs 在静止系 B、I 和 K 波段的光度函数演化，以及不同选择标准（颜色、形态、光谱类型）下的观测结果。
• 该模型表明，现今 z ≲1 时 mETGs 数密度的约 50–60% 可通过湿、混合与干并合的协同作用形成。
• mETG 的主要形成过程集中于一个狭窄的红移窗口 0.8 < z < 1，解释了为何 z ≈0.8 是 mETG 形成的过渡红移点。
• 该模型自然地再现了观测到的在 0.8 < z < 1 区间内晚期型星系数量相比纯光度演化（PLE）模型多出约 4–5 倍的现象，这是由于富含气体并合产生的短暂 DSF 阶段所致。
• 该模型通过表明红序列样本中 DSF 污染可模拟出 mETGs 数密度演化微弱或无演化的假象，解决了文献中看似矛盾的现象。
• 对本地星系线性 M(B)–M(r∗) 关系的假设经验证，星等残差小于 0.01，支持了光度函数分解与转换过程的稳健性。