[论文解读] Strong size evolution of the most massive galaxies since z~2

Ignacio Trujillo, Christopher J. Conselice+4 more|Sep 5, 2007

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本研究利用帕洛玛/DEEP2巡天的深空成像与哈勃空间望远镜/ACS的成像，分析了宇宙早期红移z ∼ 2时831个极高质量星系（M⋆ ≥ 10¹¹ h₇₀⁻² M☉）的大小演化。研究发现，特别是椭球状星系表现出强烈的大小演化——在z ∼ 1.5时，这些大质量星系的大小仅为现今本地对应体的四分之一（且密度接近100倍），表明其大小增长主要通过干合并实现，从而否定了纯单体形成模型。

ABSTRACT

Using the combined capabilities of the large near-infrared Palomar/DEEP-2 survey, and the superb resolution of the ACS HST camera, we explore the size evolution of 831 very massive galaxies (M*>10^{11}h_{70}^{-2}M_sun) since z~2. We split our sample according to their light concentration using the Sersic index n. At a given stellar mass, both low (n<2.5) and high (n>2.5) concentrated objects were much smaller in the past than their local massive counterparts. This evolution is particularly strong for the highly concentrated (spheroid-like) objects. At z~1.5, massive spheroid-like objects were a factor of 4(+-0.4) smaller (i.e. almost two orders of magnitudes denser) than those we see today. These small sized, high mass galaxies do not exist in the nearby Universe, suggesting that this population merged with other galaxies over several billion years to form the largest galaxies we see today.

研究动机与目标

• 研究自z ∼ 2以来最高质量星系（M⋆ ≥ 10¹¹ h₇₀⁻² M☉）的宇宙时空中大小演化。
• 通过测量高红移时的质量-大小关系，检验这些星系是否通过单体坍缩或分层合并演化而来。
• 通过分析z ∼ 1.5时大样本且高分辨的高质量星系，解决形成模型中的模糊性。
• 确定高红移观测到的紧凑、致密大质量星系是否存在于本地宇宙，或已演化为现今的巨大椭圆星系。
• 量化大小演化的程度及其与星系结构集中度（Sérsic指数n）的依赖关系，针对大质量星系。

提出的方法

• 结合帕洛玛/DEEP2巡天的近红外成像与哈勃空间望远镜/ACS的高分辨率成像，精确测量z ∼ 2时大质量星系的大小。
• 利用Sérsic指数（n）将星系分类为低集中度（n < 2.5，盘状）与高集中度（n > 2.5，椭球状）形态。
• 测量831个大质量星系的半光半径（rₑ）与恒星质量（M⋆），构建高红移时的恒星质量-大小关系。
• 将观测到的大小演化与分层合并模型预测及单体坍缩模拟结果进行比较。
• 通过K校正与活动星系核（AGN）污染校正，确保紧凑性并非观测伪影。
• 使用固定质量下观测大小与现今大小的比值，量化不同红移下的大小演化程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 自z ∼ 2以来，最高质量星系的大小如何演化？
• RQ2 椭球状（高Sérsic指数）大质量星系是否比盘状（低Sérsic指数）系统表现出更强的大小演化？
• RQ3 在高红移（z ∼ 1.5）观测到的紧凑、大质量星系是否与本地大质量星系群体一致？
• RQ4 何种机制（如湿合并或干合并）可解释这些星系的观测到的大小演化？
• RQ5 观测到的大小演化是否与单体坍缩模型一致，或更符合分层合并情景？

主要发现

• 在z ∼ 1.5时，高集中度（n > 2.5）的大质量椭球状星系比其本地对应体小4.0 ± 0.4倍，表明存在强烈的大小演化。
• 大小演化在高集中度（椭球状）系统中最为显著，其密度在宇宙时空中增加了约100倍。
• 高红移时的紧凑、大质量星系在本地宇宙中并不存在，表明其已通过合并演化为现今的巨大椭圆星系。
• 观测到的大小演化与纯单体坍缩模型不一致，后者预测星系形成后大小应保持不变。
• 干合并是大小增长的合理机制，仅需两次主要干合并即可使z ∼ 1.5的紧凑星系演化至现今大小。
• 结果支持两阶段形成模型：早期类似单体坍缩的形成阶段，随后通过分层干合并实现大小增长。