[论文解读] SDSS-IV MaNGA: New benchmark for the connection between stellar angular momentum and environment: a study of about 900 groups/clusters

M. Graham, Michele Cappellari+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 10

一句话总结

本研究利用SDSS-IV MaNGA巡天的积分场光谱数据，分析了红移z ≤ 0.08范围内约900个星系群和星系团的恒星角动量。结果表明，动力学形态-密度关系——即大质量慢转星系随局域数密度增加而增多——是真实存在的，且其驱动力来自相对于星系团峰值的相对密度，而非绝对密度，这排除了动力摩擦作为唯一解释机制，并支持慢转星系在星系团中心通过分层增长形成。

ABSTRACT

It has been observed that low redshift early-type galaxies can be separated into slow and fast rotators according to a proxy of specific stellar angular momentum, $\\lambda_{R_e}$. Detailed studies of a handful of nearby clusters have shown that slow rotators are generally found at the centres of clusters where the number density is highest, whereas the fast rotators trace the trend followed by early-type galaxies of increasing in number with local density. In this paper, we study the environmental distribution of slow and fast rotators using the stellar kinematics of about 3900 galaxies from the Sloan Digital Sky Survey's Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory survey. For galaxies in groups closer than $z=0.08$ that are not observed with MaNGA but satisfy the necessary conditions for slow rotators, we visually assign slow/fast rotator classifications to obtain a complete sample. Our final catalogue contains about 900 groups of five or more members. We observe the kinematic morphology-density (kT-$\\Sigma$) relation for each group and find an increasing fraction of massive slow rotators with increasing number density. We provide evidence suggesting that the observed lack of trends in angular momentum with environment at fixed stellar mass is partly because the maximum density varies between clusters, and that the locations of massive slow rotators are strongly correlated with peak densities in galaxy groups and clusters. We conclude that the (projected) number density relative to the cluster peak is more fundamental than the absolute number density in influencing the abundance of slow rotators. We find that the kT-$\\Sigma$ relation does exist at fixed stellar mass, and we rule out the hypothesis that the kT-$\\Sigma$ relation is a result of dynamical friction alone, instead arguing that massive slow rotators grow hierarchically in tandem with their host clusters.

研究动机与目标

• 解决长期存在的疑问：在恒星质量固定时，动力学形态-密度关系是否存在？
• 探究星系群和星系团中慢转与快转星系的分布是否由绝对密度或相对数密度驱动。
• 检验动力摩擦是否足以解释大质量慢转星系在星系团中心的集中现象。
• 利用约900个星系群/星系团的大型完整样本，建立恒星角动量与环境关系的基准。
• 探索大质量慢转星系在分层结构形成情景下的演化路径。

提出的方法

• 利用MaNGA巡天的恒星运动学数据，计算约3,900个星系的$\lambda_{R_e}$，作为单位质量恒星角动量的代理指标。
• 通过目视分类，为星系群中质量大且非MaNGA观测的星系（$M \geq 2 \times 10^{11} M_\odot$，$\epsilon < 0.4$）分配慢转或快转状态，这些星系群至少包含五个成员。
• 将相对数密度（$\Sigma^{\rm{rel}}$）定义为投影数密度相对于每个星系群或星系团峰值密度的归一化值。
• 分析在四个恒星质量区间内，慢转星系占比（F(SR)）随$\Sigma^{\rm{rel}}$的变化，以评估环境依赖性。
• 比较不同丰富度（暗物质晕质量的代理指标）星系群中慢转与快转星系的恒星质量分布，以检验分层增长模型。
• 采用体积加权采样和统计分析，验证MaNGA样本中观察到的趋势，确保在存在选择效应的情况下结果依然稳健。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑星系群和星系团内部相对密度的前提下，动力学形态-密度关系在恒星质量固定时是否存在？
• RQ2 观测到的大质量慢转星系在星系团中心的集中现象，究竟是由动力摩擦还是分层结构形成导致？
• RQ3 相对数密度（$\Sigma^{\rm{rel}}$）与绝对数密度相比，哪一个更能准确预测慢转星系的丰度？
• RQ4 大质量慢转星系的恒星质量是否随星系群丰富度增加，从而支持分层形成情景？
• RQ5 为何以往研究未能在恒星质量固定时检测到角动量与环境之间的趋势？

主要发现

• 大质量慢转星系的占比随相对数密度（$\Sigma^{\rm{rel}}$）显著上升，证实了在恒星质量固定时存在稳健的动力学形态-密度关系。
• F(SR)随$\Sigma^{\rm{rel}}$的变化趋势在统计误差范围内偏离平坦，排除了动力摩擦作为慢转星系集中的唯一机制。
• 大质量慢转星系的恒星质量随星系群丰富度增加而上升，支持分层形成模型，即慢转星系与宿主星系团同步增长。
• 快转星系未表现出类似的质量增长趋势，表明其在星系团中心发生并合或演化可能性较低。
• 星系团的峰值密度是决定慢转星系丰度的更基本参数，优于绝对数密度。
• 本研究提供了有力证据，表明以往研究未能观测到角动量与环境之间趋势的原因在于统计功效不足，且未考虑不同星系团最大密度的差异。