[论文解读] The Atlas3D project - XX. Mass-size and Mass-sigma projections of the Virial Plane of early-type galaxies: variation of morphology, kinematics, mass-to-light ratio and stellar initial mass function

Michele Cappellari, Richard M. McDermid+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用 1

一句话总结

本文利用Atlas3D巡天研究了早型星系（ETGs）在维里平面的质量-大小关系与质量-速度弥散关系，揭示了由形态与运动学决定的双峰分布。在约3×10¹⁰ M☉处存在一个质量转折点，快转星系（盘主导）与慢转星系（球状主导）形成两条独立序列，并表明速度弥散（σ）与星系核球成分相关，进而控制质量光度比（M/L）、初始质量函数（IMF）及通过干并合与核球增长导致的恒星形成抑制。

ABSTRACT

We study the (M,sigma) and (M,Re) projections of the thin Mass Plane (MP) (M,sigma,Re) which describes the distribution of the galaxy population. The distribution of galaxy properties on the MP is characterized by: (i) a zone of exclusion described by two power-laws joined by a break at M 3e10 Msun. This results in a break in the mean M-sigma relation with Msigma^2.3 and M sigma^4.7 at small and large sigma respectively; (ii) a mass M 2e11 Msun which separates a population dominated by flat fast rotator with disks and spiral galaxies at lower masses, from one dominated by quite round slow rotators at larger masses; (iii) below that mass the distribution of ETGs properties tends to be constant along lines of constant sigma; (iv) it forms a parallel sequence with the distribution of spiral galaxies; (v) at even lower masses, the distribution of fast rotator ETGs and late spirals naturally extends to that of dwarf ETGs (Sph) and dwarf irregulars (Im) respectively. We show via dynamical models that sigma traces the bulge fraction, which drives the observed trends in M/L, Hbeta, colour, IMF and molecular gas fraction. We interpret this as due to a combination of two main effects: (i) an increase of the bulge fraction which increases sigma and greatly enhances the likelihood for a galaxy to have its star formation quenched, and (ii) dry merging, increasing galaxy mass along lines of nearly constant sigma, while leaving the population unchanged. [Abriged]

研究动机与目标

• 理解早型星系（ETGs）在维里平面的质量-速度弥散与质量-大小投影中的分布特征。
• 识别不同质量尺度下ETGs中观测到的双峰形态与运动学分布的物理驱动机制。
• 研究速度弥散（σ）与核球成分、恒星初始质量函数（IMF）及恒星形成抑制之间的相关性。
• 确定干并合在维持近乎恒定σ序列中的质量增长作用。

提出的方法

• 分析Atlas3D巡天数据，绘制ETGs在（M, σ）与（M, Re）平面中的分布。
• 识别M-σ关系在M ≈ 3×10¹⁰ M☉处的转折点，其幂律指数分别为：低σ区M ∝ σ².³，高σ区M ∝ σ⁴.⁷。
• 利用动力学模型将σ与核球成分及其对M/L、Hβ、颜色和分子气体分数的影响相联系。
• 将ETG序列与旋涡星系及矮星系群体进行比较，以追踪演化连续性。
• 建模干并合作为在不改变运动学或形态学特性的情况下沿恒定σ轨迹实现质量增长的机制。
• 将观测趋势解释为核球成分增加与干并合共同作用的结果，从而解释IMF与恒星形成抑制的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 M ≈ 3×10¹⁰ M☉处M-σ关系的转折点由何原因引起，其对星系演化有何影响？
• RQ2 ETGs在质量-速度弥散与质量-大小平面中的分布如何反映其内在形态与运动学特征？
• RQ3 速度弥散（σ）在多大程度上反映核球成分及其对M/L、IMF与恒星形成抑制的影响？
• RQ4 干并合与核球增长如何共同塑造维里平面中观测到的序列？
• RQ5 在质量-速度弥散平面中，快转ETGs、旋涡星系与矮星系（Sph/Im）之间存在何种关联？

主要发现

• 在M ≈ 3×10¹⁰ M☉处出现M-σ关系的转折点，幂律指数分别为：低σ区M ∝ σ².³，高σ区M ∝ σ⁴.⁷。
• M ≈ 2×10¹¹ M☉的星系将快转、盘主导的ETG与慢转、球状主导的系统区分开来。
• 在~2×10¹¹ M☉以下，ETG性质在恒定σ线上近似恒定，表明其与核球成分存在紧密关联。
• 快转ETG与旋涡星系的分布形成平行序列，并自然延伸至矮椭圆星系（Sph）与矮不规则星系（Im）。
• 动力学模型证实σ反映核球成分，后者控制M/L、Hβ、颜色、IMF与分子气体分数。
• 干并合驱动质量沿近乎恒定σ轨迹增长，同时保持运动学与形态学特性不变，增强恒星形成抑制与核球主导性。