[论文解读] Spatially resolved spectroscopy of Coma cluster early -- type galaxies: III. The stellar population gradients

D. Mehlert, D. Thomas+3 more|ArXiv.org|Jun 11, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 59被引用 162

一句话总结

本研究利用35个后发星系团早型星系的空间分辨光谱和先进的恒星群体模型，测量了年龄、金属度及α/Fe比值的径向梯度。研究发现，尽管金属度梯度显著且由引力势阱深度驱动，但年龄和α/Fe梯度可忽略不计，表明星系内形成时序一致且存在全局α/Fe增强，从而重塑了对Mg–σ关系起源的理解。

ABSTRACT

We derive central values and logarithmic gradients for the Hbeta, Mg and Fe indices of 35 early-type galaxies in the Coma cluster. We find that pure elliptical galaxies have on average slightly higher velocity dispersions, lower Hbeta, and higher metallic line-strengths than galaxies with disks (S0). The gradients strongly correlate with the gradients of sigma, but only weakly with the central index values and galaxy velocity dispersion. Using stellar population models with variable element abundance ratios from Thomas, Maraston & Bender (2003a) we derive average ages, metallicities and [alpha/Fe] ratios in the center and at the effective radius. We find that the [alpha/Fe] ratio correlates with velocity dispersion and drives 30% of the Mg-sigma relation, the remaining 70% being caused by metallicity variations. We derive negative metallicity gradients (-0.16 dex per decade) that are significantly flatter than what is expected from gaseous monolithic collapse models, pointing to the importance of mergers in the galaxy formation history. The gradients in age are negligible, implying that no significant residual star formation has occurred either in the center or in the outer parts of the galaxies, and that the stellar populations at different radii must have formed at a common epoch. For the first time we derive the gradients of the [alpha/Fe] ratio and find them very small on the mean. Hence, [alpha/Fe] enhancement is not restricted to galaxy centers but it is a global phenomenon. Our results imply that the Mg-sigma local relation inside a galaxy, unlike the global Mg-sigma relation, must be primarily driven by metallicity variations alone.

研究动机与目标

• 利用空间分辨光谱测量后发星系团早型星系中恒星群体参数（年龄、金属度、α/Fe）的径向梯度。
• 研究后发星系团中环境密度对恒星群体性质及其径向梯度的影响。
• 利用对α/Fe敏感的恒星群体模型，分离金属度与α/Fe比值对局部和全局Mg–σ关系的贡献。
• 检验近期恒星形成或形成时序变化是否导致S0星系中观测到的谱线指数梯度。
• 确定尽管存在3 dex的密度范围，星系团核心与外围区域的星系形成过程是否存在差异。

提出的方法

• 沿星系主要轴（10个星系还包含次要轴）进行空间分辨长缝光谱观测，测量Lick指数（Hβ、Mg b、Fe5270、Fe5335）的径向分布。
• 应用具有可变α/Fe比值的恒星群体模型（TMB 2003a），将谱线指数转换为物理参数：年龄、总金属度[Z/H]和α/Fe丰度比。
• 计算有效半径内（1Re）的指数与速度弥散度的对数梯度，以量化径向变化。
• 分析梯度与中心性质（速度弥散度、中心指数值）之间的相关性，以推断形成机制。
• 通过比较本征（局部）Mg–σ关系与全局Mg–σ关系，分离金属度与α/Fe在驱动该关系中的作用。
• 通过比较跨越约3 dex的星系团径向密度分布中各区域的恒星群体参数与梯度，检验环境效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管后发星系团的密度范围达3 dex，星系团中早型星系的恒星群体梯度是否随环境密度变化？
• RQ2 α/Fe比值的径向梯度是多少？其是否随半径显著变化，表明形成时序存在变化？
• RQ3 金属度梯度与速度弥散度梯度的相关程度如何？这对其在星系形成中引力势阱作用的含义是什么？
• RQ4 全局Mg–σ关系与本征Mg–σ关系在物理驱动机制上存在何种差异？其中多大比例的全局关系由α/Fe变化引起，多大比例由金属度引起？
• RQ5 后发星系团中的透镜星系是否含有年轻恒星群体？若存在，这对其形成历史与环境抑制作用有何启示？

主要发现

• α/Fe比值的径向梯度可忽略不计（平均梯度 ≈ 0），表明α/Fe增强是全局现象，而非局限于星系中心。
• 金属度梯度显著且为负值（≈ –0.16 dex/十年），与速度弥散度梯度强相关，支持更深引力势阱能保留更多金属的假设。
• 年龄梯度可忽略不计（≈ 0），表明星系内恒星在相近时期形成，无显著的径向形成时序差异。
• 全局Mg–σ关系中70%由金属度变化驱动，30%由α/Fe比值变化驱动，后者是本征（局部）Mg–σ关系的主要驱动力。
• 本征Mg–σ关系完全由金属度变化驱动，而全局Mg–σ关系则由金属度与α/Fe共同驱动，显示出不同的物理起源。
• 未发现恒星群体参数或其梯度与星系团中心距离或环境密度之间存在显著相关性，表明环境效应未显著改变后发星系团中早型星系的演化。