[论文解读] Star formation along the Hubble sequence: Radial structure of the star formation of CALIFA galaxies

R. M. González Delgado, R. Cid Fernandes+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 108被引用 80

一句话总结

本研究利用CALIFA巡天的积分场光谱数据，对跨越哈勃序列的416个星系的径向恒星形成率（SFR）进行了测绘。结果表明，SFR面密度随半径递减，且旋涡星系间变化极小，证实了恒星形成主序列作为单位面积上近乎恒定的SFR；早型星系（E/S0）处于熄灭状态，而恒星形成主要由晚型旋涡星系（Sbc, Sc, Sd）的盘面主导，本地SFR面密度为0.0105 M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³。

ABSTRACT

The aim of this paper is to characterize the radial structure of the star formation rate (SFR) in galaxies in the nearby Universe as represented by the CALIFA survey. The sample under study contains 416 galaxies observed with IFS, covering a wide range of Hubble types and stellar masses. Spectral synthesis techniques are applied to obtain radial profiles of the intensity of the star formation rate in the recent past, and the local sSFR. To emphasize the behavior of these properties for galaxies that are on and off the main sequence of star formation (MSSF) we stack the individual radial profiles in bins of galaxy morphology and stellar masses. Our main results are: a) The intensity of SFR shows declining profiles that exhibit very little differences between spirals. The dispersion between the profiles is significantly smaller in late type spirals. This confirms that the MSSF is a sequence of galaxies with nearly constant intensity of SFR b) sSFR values scale with Hubble type and increase radially outwards, with a steeper slope in the inner 1 HLR. This behavior suggests that galaxies are quenched inside-out, and that this process is faster in the central, bulge-dominated part than in the disks. c) As a whole, and at all radii, E and S0 are off the MSSF. d) Applying the volume-corrections for the CALIFA sample, we obtain a density of star formation in the local Universe of 0.0105 Msun/yr/Mpc^{-3}. Most of the star formation is occurring in the disks of spirals. e) The volume averaged birthrate parameter, b'=0.39, suggests that the present day Universe is forming stars at 1/3 of its past average rate. E, S0, and the bulge of early type spirals contribute little to the recent SFR of the Universe, which is dominated by the disks of later spirals. f) There is a tight relation between the intensity of the SFR and stellar mass, defining a local MSSF relation with a logarithmic slope of 0.8.

研究动机与目标

• 利用空间分辨数据表征哈勃序列中星系的径向恒星形成率（SFR）结构。
• 确定SFR强度与比恒星形成率（sSFR）随哈勃类型和半径的变化，特别是与恒星形成主序列（MSSF）的关系。
• 量化不同形态类型（E, S0, 旋涡星系）对本地宇宙中总恒星形成率面密度的贡献。
• 评估局部过程（如恒星质量面密度）与全局过程（如球状体形成）在调控恒星形成中的作用。
• 通过与独立估计值对比，验证CALIFA巡天的体积校正。

提出的方法

• 利用覆盖416个星系（涵盖多样哈勃类型与恒星质量，10⁹至7×10¹¹ M⊙）的CALIFA积分场光谱数据立方体。
• 应用光谱合成技术，推导出SFR面密度（Σ_SFR）与比恒星形成率（sSFR = Σ_SFR / μ⋆）的二维图与径向剖面。
• 在七个形态分类区间（E, S0, Sa, Sb, Sbc, Sc, Sd）及多个恒星质量区间内堆叠径向剖面，揭示系统性趋势。
• 对CALIFA样本应用体积校正，以估算本地宇宙中的恒星形成率面密度（ρ_SFR）。
• 计算体积平均的出生率参数 b′ = SFR / ⟨SFR⟩_lifetime，以评估当前SFR相对于长期平均速率的水平。
• 分析本地MSSF关系（Σ_SFR与μ⋆的关系），量化其斜率与弥散随哈勃类型的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同哈勃类型星系的恒星形成率面密度（Σ_SFR）径向分布如何变化？
• RQ2 比恒星形成率（sSFR）与Σ_SFR在多大程度上遵循径向趋势？这暗示了何种内部向外熄灭机制？
• RQ3 早型星系（E/S0）与晚型星系（Sbc, Sc, Sd）对总本地恒星形成率面密度的贡献分别是什么？
• RQ4 本地MSSF关系（Σ_SFR与μ⋆）与全局MSSF（SFR与M⋆）相比如何？其斜率与弥散揭示了SFR调控的何种机制？
• RQ5 全局过程（如球状体形成）与局部过程（如气体密度）在多大程度上主导了恒星形成的熄灭？

主要发现

• SFR面密度（Σ_SFR）随半径递减，在1个半光半径（HLR）处约为~20 M⊙ Gyr⁻¹ pc⁻²，且在旋涡星系中变化极小，证实了恒星形成主序作为单位面积上近乎恒定SFR的特性。
• sSFR随半径向外递增，且在内1 HLR区域梯度更陡，表明存在内部向外熄灭机制，且在具有星系核球的区域熄灭速度更快于盘面区域。
• E与S0星系显著偏离MSSF，其SFR远低于同质量的旋涡星系，证实其处于熄灭状态。
• 本地SFR面密度为ρ_SFR = (0.0105 ± 0.0008) M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³，与独立估计值高度一致，验证了CALIFA的体积校正有效性。
• 体积平均的出生率参数为b′ = 0.39 ± 0.03，表明当前SFR约为长期平均值的三分之一，且Sbc、Sc与Sd星系的盘面主导了当前的恒星形成。
• Σ_SFR与μ⋆之间存在紧密的本地MSSF关系，对数斜率为0.8，弥散主要由哈勃类型决定，表明局部过程（如气体密度）调控SFR，而全局过程（如球状体形成）控制熄灭。