[论文解读] Star formation histories of massive red spiral galaxies in the local universe

Shuang Zhou, Cheng Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 97被引用 26

一句话总结

本研究利用马尔可夫链蒙特卡洛贝叶斯谱拟合（BIGS）方法对MaNGA积分场光谱数据进行处理，重建了大质量红色旋涡星系（M∗ > 10^10.5 M⊙）的逐空间分辨率恒星形成历史（SFH），发现其超过90%的恒星质量在宇宙诞生后60亿年内形成，与大质量红色椭圆星系相似。结果表明，红色旋涡星系与红色椭圆星系共享一种快速早期形成与熄灭的共同演化历史，这与蓝色旋涡星系中持续且长期的恒星形成形成鲜明对比。

ABSTRACT

We investigate the star formation histories (SFHs) of massive red spiral galaxies with stellar mass $M_\ast>10^{10.5}M_\odot$, and make comparisons with blue spirals and red ellipticals of similar masses. We make use of the integral field spectroscopy from the SDSS-IV/DR15 MaNGA sample, and estimate spatially resolved SFHs and stellar population properties of each galaxy by applying a Bayesian spectral fitting code to the MaNGA spectra. We find that both red spirals and red ellipticals have experienced only one major star formation episode at early times, and the result is independent of the adopted SFH model. On average, more than half of their stellar masses were formed $>$10 Gyrs ago, and more than 90\% were formed $>6$ Gyrs ago. The two types of galaxies show similarly flat profiles in a variety of stellar population parameters: old stellar ages indicated by $D4000$ (the spectral break at around 4000\AA), high stellar metallicities, large Mgb/Fe ratios indicating fast formation, and little stellar dust attenuation. In contrast, although blue spirals also formed their central regions $>$10 Gyrs ago, both their central regions and outer disks continuously form stars over a long timescale. Our results imply that, massive red spirals are likely to share some common processes of formation (and possibly quenching) with massive red ellipticals in the sense that both types were formed at $z > 2$ through a fast formation process.Possible mechanisms for the formation and quenching of massive red spirals are discussed.

研究动机与目标

• 研究本地宇宙中大质量红色旋涡星系的恒星形成历史（SFH）
• 比较与大质量红色椭圆星系相似恒星质量的红色旋涡星系与蓝色旋涡星系的SFH
• 确定大质量红色旋涡星系是否由蓝色旋涡星系演化而来，或是否通过与红色椭圆星系相似的过程形成
• 评估使用多种SFH模型形式时，SFH约束的稳健性
• 利用解析光谱分析，研究单个星系内恒星群体性质的空间变化特征

提出的方法

• 将贝叶斯星系光谱推断（BIGS）代码应用于MaNGA积分场光谱的全谱拟合
• 将星系光谱按五个径向区域划分，并进行堆叠以提高信噪比
• 采用三种SFH模型形式（Γ、Γ+B和分段式）拟合堆叠光谱，以检验模型稳健性
• 利用贝叶斯模型选择法比较各模型性能，识别最佳拟合SFH
• 将推导出的SFH与D4000、Hα发射线及Mgb/Fe比值等光谱特征进行一致性检验
• 结合光学（u−r, r−i）和紫外-光学（NUV−r）颜色标准筛选星系，以区分熄灭星系与仍存在残余恒星形成活动的星系

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量红色旋涡星系的恒星形成历史是否与大质量红色椭圆星系或蓝色旋涡星系相似？
• RQ2 大质量红色旋涡星系的恒星形成历史是否与从蓝色旋涡星系演化而来一致？
• RQ3 早期快速恒星形成与熄灭在塑造大质量红色旋涡星系恒星群体方面起到何种作用？
• RQ4 所推断的SFH对假设的SFH模型形式变化的稳健性如何？
• RQ5 如D4000和Hα发射线等光谱特征揭示了星系熄灭状态及恒星形成空间分布的哪些信息？

主要发现

• 大质量红色旋涡星系与红色椭圆星系均在100亿年前之前形成超过50%的恒星质量，且在60亿年内形成超过90%，表明存在共同的早期快速形成阶段
• 红色旋涡星系与红色椭圆星系的最佳拟合SFH均可用单一Γ模型良好描述，表明经历了一次主要恒星形成事件；而蓝色旋涡星系则需要更复杂的模型
• 通过NUV选中的红色旋涡星系无残余恒星形成活动，D4000值高且Hα发射线微弱或不可见，表明星系整体已完全熄灭
• 通过光学选中的红色旋涡星系D4000值较低，且在外部区域可探测到Hα发射线，表明其盘面中存在持续或近期的恒星形成活动
• 红色旋涡星系与椭圆星系中较高的Mgb/Fe比值证实了快速早期形成过程，与蓝色星系中较低的比值形成对比，后者表明恒星形成过程持续时间较长
• 大质量红色旋涡星系的SFH与蓝色旋涡星系存在本质差异，排除了二者之间存在简单演化联系的可能性