[论文解读] Reconciling M/L Ratios Across Cosmic Time: a Concordance IMF for Massive Galaxies

Pieter van Dokkum, Charlie Conroy|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种适用于大质量星系的‘一致性’初始质量函数（IMF），其在低质量端呈底部加厚（γ₁ ≈ 2.4），在高质量端呈顶部加厚（γ₃ ≈ 1.85），从而调和了高红移（z ≈ 2–5）时低M/L比与本地大质量椭圆星系中高M/L比之间的矛盾。IMF从本地的α ≈ 10^0.3（低质量恒星多1.2倍）演化至高红移前体的α ≈ 10^{-0.1}（接近银河系），其斜率通过基于速度弥散σ的标度律与之关联。

ABSTRACT

The stellar initial mass function (IMF) is thought to be bottom-heavy in the cores of the most massive galaxies, with an excess of low mass stars compared to the Milky Way. However, studies of the kinematics of quiescent galaxies at 27, to reduce tensions with galaxy formation models. Here we explore 'ski slope' IMFs that are simultaneously bottom-heavy, with a steep slope at low stellar masses, and top-heavy, with a shallow slope at high masses. We derive a form of the IMF for massive galaxies that is consistent with measurements in the local universe and yet produces relatively low M/L ratios at high redshift. This concordance IMF has slopes $γ_1=2.40\pm0.09$, $γ_2=2.00\pm0.14$, and $γ_3=1.85\pm0.11$ in the regimes 0.08-0.5 Msun, 0.5-1 Msun, and >1 Msun respectively. The IMF parameter $α$, the mass excess compared to a Milky Way IMF, ranges from $\log(α)\approx+0.3$ for present-day galaxies to $\log(α)\approx-0.1$ for their star forming progenitors. The concordance IMF applies only to the central regions of the most massive galaxies, with velocity dispersions ~300 km/s, and their progenitors. However, it can be generalized using a previously-measured relation between $α$ and $σ$. We arrive at the following modification to the Kroupa (2001) IMF for galaxies with $σ\gtrsim 160$ km/s: $γ_1\approx1.3+4.3\logσ_{160}$; $γ_2\approx2.3-1.2\logσ_{160}$; and $γ_3\approx2.3-1.7\logσ_{160}$, with $σ_{160}=σ/160$ km/s. If galaxies grow primarily inside-out, so that velocity dispersions are relatively stable, these relations should also hold at high redshift.

研究动机与目标

• 调和高红移熄灭星系中低M/L比与本地大质量椭圆星系中高M/L比之间的明显矛盾。
• 开发一种在低质量端底部加厚、在高质量端顶部加厚的IMF，与本地及高红移观测一致。
• 推导一种物理解释充分、依赖速度弥散σ的IMF，将一致性IMF推广至本地星系之外。
• 为利用即将开展的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）对低质量恒星和分子特征的观测，提供IMF变化的测试框架。

提出的方法

• 利用积分光谱中的引力敏感吸收线，推断本地大质量星系中低质量IMF斜率。
• 利用动力学质量测量（M_dyn/M_*）的运动学数据，约束高红移（z ≈ 2–5）时的IMF。
• 推导出三段式IMF，其斜率分别为γ₁ = 2.40±0.09（0.1–0.5 M⊙）、γ₂ = 2.00±0.14（0.5–1 M⊙）、γ₃ = 1.85±0.11（>1 M⊙）。
• 建立IMF参数与速度弥散σ之间的标度关系，使用σ₁₆₀ = σ/160 km s⁻¹。
• 提出广义IMF：当σ ≳ 160 km s⁻¹时，γ₁ ≈ 1.3 + 4.3 log σ₁₆₀，γ₂ ≈ 2.3 – 1.2 log σ₁₆₀，γ₃ ≈ 2.3 – 1.7 log σ₁₆₀。
• 提议JWST项目（GO-5629，GO-4757）通过近红外H₂O特征和分辨的恒星族，直接检验低质量IMF。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种在低质量端底部加厚、在高质量端顶部加厚的IMF，能否同时调和大质量星系在宇宙时空中M/L比的矛盾？
• RQ2 大质量星系中IMF的速度弥散依赖性如何？其随红移如何演化？
• RQ3 高红移熄灭星系（z ≈ 2–5）的观测M/L比与标准IMF和一致性IMF的预测相比如何？
• RQ4 对低质量恒星和分子特征的独立JWST观测能否证实所提出的IMF结构？
• RQ5 何种物理机制可能产生具有陡峭低质量部分和缓和高质量部分斜率的混合IMF？

主要发现

• 一致性IMF在0.1–0.5 M⊙、0.5–1 M⊙和>1 M⊙质量区间内的斜率分别为γ₁ = 2.40 ± 0.09、γ₂ = 2.00 ± 0.14和γ₃ = 1.85 ± 0.11。
• IMF参数α（表示相对于银河系IMF的质量过剩）在现今大质量星系中为log(α) ≈ +0.3，在其高红移前体中为log(α) ≈ -0.1。
• IMF斜率通过γ₁ ≈ 1.3 + 4.3 log σ₁₆₀、γ₂ ≈ 2.3 – 1.2 log σ₁₆₀和γ₃ ≈ 2.3 – 1.7 log σ₁₆₀与速度弥散σ相关，适用于σ ≳ 160 km s⁻¹。
• 一致性IMF与z ≈ 3–5时的动力学M/L比≈1一致，表明高质量部分斜率偏重；同时通过低质量部分的底部加厚，与本地星系的高M/L比一致。
• 该模型预测，低质量恒星（及残余物）的质量过剩并非本地星系中高M/L比的主要贡献者，挑战了以往IMF研究中的假设。
• 提议JWST项目（GO-5629，GO-4757）通过近红外H₂O特征和分辨恒星族，在z ≈ 0.7处直接检验低质量IMF。