[论文解读] The $HI$- and $H_{2}$-to-stellar mass correlations of late- and early-type galaxies and their consistency with the observational mass functions

A. R. Calette, V. Ávila-Reese+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 27

一句话总结

本研究整合并统一了本地星系的观测数据，推导出晚期和早期星系的HI与H₂对恒星质量的经验关系，采用单次或双次幂律拟合。研究发现，晚期星系在高恒星质量下显著富含气体，通过结合这些关系与观测到的恒星质量函数及晚期/早期星系比例，推导出一致的HI和H₂质量函数，并通过大规模巡天数据进行了验证。

ABSTRACT

We compile and carrefully homogenize local galaxy samples with available information on stellar, $\ m HI$ and/or $\ m H_{2}$ masses, and morphology. After processing the information on upper limits in the case of non gas detections, we determine the $\ m HI$- and $\ m H_{2}$-to-stellar mass relations and their $1\\sigma$ scatter for both late- and early-type galaxies. The obtained relations are fitted to single or double power laws. Late-type galaxies are significantly gas richer than early-type ones, specially at high masses. The respective $\ m H_{2}$-to-$\ m HI$ mass ratios as a function of $M_{\\ast}$ are discussed. Further, we constrain the full mass-dependent distribution functions of the $\ m HI$- and $\ m H_{2}$-to-stellar mass ratios. We find that they can be described by a Schechter function for late types and a (broken) Schechter + uniform function for early types. By using the observed galaxy stellar mass function and the volume-complete late-to-early-type galaxy ratio as a function of $M_{\\ast}$, these empirical distribution functions are mapped into $\ m HI$ and $\ m H_{2}$ mass functions. The obtained mass functions are consistent with those inferred from large surveys. The empirical gas-to-stellar mass relations and their distributions for local late- and early-type galaxies presented here can be used to constrain models and simulations of galaxy evolution.

研究动机与目标

• 使用整合且一致的数据集，建立本地晚期与早期星系的稳健、统一的HI与H₂对恒星质量关系。
• 对气体质量非检测结果中的上限值进行处理，以避免在推导相关关系时引入偏差。
• 将气体对恒星质量比的完整分布函数建模为Schechter函数或分段Schechter加均匀分布函数。
• 将经验气体质量比与恒星质量函数映射为自洽的HI与H₂质量函数。
• 将推导出的质量函数与独立的大规模巡天测量结果进行验证。

提出的方法

• 整合并统一了包含恒星、HI和H₂质量测量的多波段星系样本，统一采用Chabrier (2003)初始质量函数标准。
• 应用统计校正方法，利用生存分析技术处理非检测结果中的上限值。
• 使用单次或双次幂律拟合HI与H₂对恒星质量的关系，以捕捉气体含量随质量变化的依赖性。
• 使用Schechter函数（晚期星系）和分段Schechter加均匀函数（早期星系）对气体对恒星质量比的完整分布进行建模。
• 将观测到的恒星质量函数（来自Bernardi et al. 2013和Baldry et al. 2012）与晚期/早期星系形态比例相结合，以预测HI与H₂质量函数。
• 将预测的质量函数与来自大规模巡天的独立观测估计值进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在晚期与早期星系中，HI与H₂对恒星质量的比值如何随恒星质量变化？
• RQ2 每类星系中，HI与H₂对恒星质量关系的内在离散度是多少？
• RQ3 晚期与早期星系的气体对恒星质量比的完整分布函数有何不同？
• RQ4 观测到的恒星质量函数与星系类型比例能否重现观测到的HI与H₂质量函数？
• RQ5 推导出的气体质量函数是否与从大规模巡天中推断出的结果一致？

主要发现

• 晚期星系，尤其是在高恒星质量下，显著比早期星系富含气体，其HI对恒星质量比随质量增加而上升。
• 在低质量下，晚期星系的H₂对HI质量比约为~0.1且基本恒定，但在高质质量下上升，表明分子气体分数增加。
• 晚期星系的HI对恒星质量比分布可用Schechter函数良好描述，而早期星系则需要分段Schechter加均匀函数。
• 通过结合经验气体对恒星质量关系、观测到的恒星质量函数及晚期/早期星系比例所构建的HI与H₂质量函数，与从大规模巡天中推断出的结果一致。
• HI对恒星质量关系的内在离散度估计为~0.14 dex，而H₂对恒星质量关系的离散度为~0.34 dex，反映出分子气体测量中更高的观测不确定性。
• 在统一为Chabrier (2003)初始质量函数后，恒星质量函数由Bernardi et al. (2013)与Baldry et al. (2012)合并而成，其中前者经−0.12 dex校正以与BC03模型对齐。