[论文解读] Quenching and Morphological Transformation in Semi-Analytic Models and CANDELS

Ryan Brennan, Viraj Pandya+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用 2

一句话总结

本研究通过对比半解析模型预测与CANDELS及GAMA观测数据，探究了从 z ≈ 3 至现今的星系熄灭与形态演化之间的共同演化。结果表明，包含盘不稳定性驱动的星系核球增长的模型，相较于仅通过并合过程的模型，能更准确地再现宁静星系与球状星系主导星系的观测演化，尽管其仍略微低估了恒星形成星系中球状星系的稳定性以及宁静盘状星系随时间的稳定性。

ABSTRACT

We examine the spheroid growth and star formation quenching experienced by galaxies from z~3 to the present by studying the evolution with redshift of the quiescent and spheroid-dominated fractions of galaxies from the CANDELS and GAMA surveys. We compare the observed fractions with predictions from a semi-analytic model which includes prescriptions for bulge growth and AGN feedback due to mergers and disk instabilities. We facilitate direct morphological comparison by converting our model bulge-to-total stellar mass ratios to Sersic indices. We then subdivide our population into the four quadrants of the sSFR-Sersic index plane and study the buildup of each of these subpopulations. We find that the fraction of star forming disks declines steadily, while the fraction of quiescent spheroids builds up over cosmic time. The fractions of star forming spheroids and quiescent disks are both non-negligible, and stay nearly constant over the period we have studied, at about 10% and 15-20% respectively. Our model is qualitatively successful at reproducing the evolution of the two "main" populations (star forming disk-dominated galaxies and quiescent spheroid-dominated galaxies), and approximately reproduces the relative fractions of all four types, but predicts a stronger decline in star forming spheroids, and increase in quiescent disks, than seen in the observations. A model with an additional channel for bulge growth via disk instabilities agrees better overall with the observations than a model in which bulges may grow only through mergers. We study evolutionary tracks of some individual galaxies as they experience morphological transformation and quenching, and examine the importance of different physical drivers of this transformation (major and minor mergers and disk instabilities). We find that complex histories with multiple transformative events are the norm.

研究动机与目标

• 本文旨在理解星形成熄灭与星系演化中形态转变之间的关联。
• 研究大/小并合与盘不稳定性在驱动星系核球增长与熄灭过程中的相对作用。
• 通过将模型中的核球总质量比转换为Sérsic指数，以实现形态上的一致性，从而改进模型与观测的对比。
• 评估当前半解析模型是否能再现星系在sSFR–Sérsic指数平面中的观测演化。
• 识别反馈与结构建模中的不足之处，特别是关于高红移熄灭与盘稳定性方面。

提出的方法

• 作者使用'Santa Cruz'半解析模型（S08, S12, P14）模拟从 z ≈ 3 至 z ≈ 0 的星系演化。
• 将模型中的核球恒星质量比转换为Sérsic指数，以实现与观测的直接形态对比。
• 根据sSFR与Sérsic指数将星系群体划分为四个象限，以追踪恒星形成盘状星系、宁静球状星系、恒星形成球状星系及宁静盘状星系的演化。
• 将模型预测与CANDELS和GAMA巡天在不同红移区间内的观测分数进行比较。
• 测试了两种模型变体：一种仅通过并合实现核球增长（noDI），另一种额外引入盘不稳定性驱动的核球增长通道（DI模型）。
• 评估模型在重现宁静星系与球状星系主导星系分数随时间演化方面的表现，重点关注高红移区域的定量一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 半解析模型在多大程度上能再现从 z ≈ 3 至 z ≈ 0 期间观测到的宁静星系与球状星系主导星系分数的演化？
• RQ2 在仅通过并合的模型基础上，引入盘不稳定性驱动的核球增长后，是否显著提升模型对观测形态与熄灭趋势的拟合能力？
• RQ3 为何模型预测的恒星形成球状星系减少程度更强、宁静盘状星系增加程度更强，而实际观测中并非如此？
• RQ4 哪些物理机制最主导将恒星形成盘状星系转化为宁静球状星系的转变过程？
• RQ5 大/小并合与盘不稳定性在sSFR–Sérsic指数平面中对星系演化的相对贡献如何？

主要发现

• 包含盘不稳定性驱动核球增长的DI模型，在再现球状星系主导星系分数的观测演化方面，显著优于仅通过并合过程的noDI模型，后者低估了球状星系的增长。
• DI模型预测的恒星形成球状星系减少更迅速，且宁静盘状星系增加更显著，尽管预测分数在大多数红移区间内仍与观测值相差 ±0.2 以内。
• 引入盘不稳定性对宁静星系分数的影响微弱，变化小于10%，表明活动星系核反馈是主导熄灭机制。
• 模型定性上再现了观测演化：恒星形成盘状星系随时间减少，宁静球状星系增加，而恒星形成球状星系与宁静盘状星系的分数基本保持稳定。
• 恒星形成球状星系被解释为一种短暂的创伤后群体，可能在并合或不稳定性事件后经历一次恒星形成爆发。
• 宁静盘状星系主导的星系是贫气盘与低面亮度盘的混合体，其恒星形成效率低下，表明存在多种熄灭路径，而不仅限于环境效应。