[论文解读] The KMOS Deep Survey (KDS) II: The evolution of the stellar-mass Tully-Fisher relation since z ~ 4

O. J. Turner, C. M. Harrison+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 11

一句话总结

本研究通过引入压力修正的总速度 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $，解决了自 $ z \approx 4 $ 以来星族质量Tully-Fisher关系演化中的矛盾，该公式统一了旋转主导与速度 dispersion 主导的星系。研究发现，在 $ z \geq 1 $ 时，总速度零点相对于本地关系存在一致的 $+0.12$ dex 偏移，表明星族质量与动力学质量之比随宇宙时间持续下降。

ABSTRACT

We use KMOS Deep Survey (KDS) galaxies, combined with results from a range of spectroscopic studies in the literature, to investigate the evolution of the stellar-mass Tully-Fisher relation since z ~ 4. We determine the slope and normalisation of the local rotation-velocity -- stellar-mass (Vc - $M_{\star}$) relationship using a reference sample of local spiral galaxies; thereafter we fix the slope, and focus on the evolution of velocity normalisation with redshift. The rotation-dominated KDS galaxies at z ~ 3.5 have rotation velocities ~ -0.1 dex lower than local reference galaxies at fixed stellar mass. By fitting 16 distant comparison samples spanning 0 < z < 3 (containing ~ 1200 galaxies), we show that the size and sign of the inferred Vc offset depends sensitively on the fraction of the parent samples used in the Tully-Fisher analysis, and how strictly the criterion of 'rotation dominated' is enforced. Confining attention to subsamples of galaxies that are especially 'disky' results in a consistent positive offset in Vc of ~ +0.1 dex, however these galaxies are not representative of the evolving-disk population at z > 1. We investigate the addition of pressure support, traced by intrinsic velocity dispersion ($σ_{int}$) to the KDS dynamical mass budget by adopting a 'total' effective velocity of form $V_{tot} = (Vc^{2} + 4.0σ_{int}^{2})^{0.5}$. The rotation-dominated and dispersion-dominated KDS galaxies fall on the same locus in the total-velocity versus stellar-mass plane, removing the need for debate over the precise selection threshold for rotation-dominated galaxies. The comparison sample offsets are in the range +0.08 to +0.15 dex in total-velocity zero-point (-0.30 to -0.55 dex in stellar-mass zero-point) from the local Tully-Fisher relation at z > 1, consistent with steady evolution of the ratio of dynamical to stellar mass with cosmic time.

研究动机与目标

• 解决高红移（$ z \approx 4 $）时星族质量Tully-Fisher关系演化问题的文献结果冲突。
• 解决样本选择标准（特别是选择高 $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 的旋转主导星系）所引入的偏差。
• 在单一动力学质量估计器中统一旋转与速度 dispersion 主导的星系，同时考虑旋转与压力支撑。
• 确定观测到的Tully-Fisher关系演化是否反映星族质量与动力学质量之比的真实变化，还是选择效应所致。
• 评估高红移星系的动力学成熟度及其对动力学标度关系解释的影响。

提出的方法

• 利用邻近螺旋星系的参考样本建立本地 $ V_C $–$ M_\star $ 关系，并固定其斜率以供比较。
• 定义总速度 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $，将旋转与压力支撑同时纳入动力学质量预算。
• 将总速度关系应用于 $ z \approx 3.5 $ 的KMOS深空 Survey（KDS）星系，实现无需样本筛选的一致分析。
• 将KDS数据与16个覆盖 $ 0 < z < 3 $ 的外部光谱样本结合，以 $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 作为关键选择标准。
• 对所有样本拟合总速度与星族质量的关系，将零点偏移与本地Tully-Fisher关系进行比较。
• 使用标定质量估计值验证 $ \sigma_{\text{int}} $ 作为显著动力学分量的合理性，尤其在速度 dispersion 主导系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何先前研究在 $ z \geq 1 $ 时报告星族质量Tully-Fisher关系演化趋势存在矛盾？
• RQ2 样本选择（特别是 $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 阈值）在多大程度上导致对Tully-Fisher关系演化趋势的偏差？
• RQ3 能否通过包含压力支撑的统一动力学质量估计器，调和高红移星形成星系的动力学多样性？
• RQ4 观测到的Tully-Fisher关系演化是否真实反映了星族质量与动力学质量之比的变化，还是选择效应的产物？
• RQ5 从 $ z \approx 4 $ 到现今，总速度–$ M_\star $ 关系如何演化，其对星系质量形成意味着什么？

主要发现

• 旋转速度–$ M_\star $ 关系中的速度偏移在很大程度上取决于样本选择：仅包含 $ V_C $ 主导的样本在 $ z \approx 3.5 $ 时显示 $-0.1$ dex 偏移，而更具代表性的样本则无显著偏移。
• 引入压力修正的总速度 $ V_{\text{tot}} = \sqrt{V_C^2 + 4.0\sigma_{\text{int}}^2} $，使旋转与速度 dispersion 主导的星系在 $ V_{\text{tot}} $–$ M_\star $ 平面中统一于单一序列。
• KDS样本在总速度零点上相对于本地Tully-Fisher关系存在 $+0.14$ dex 偏移，表明自 $ z \approx 4 $ 以来星族质量与动力学质量之比持续下降。
• 在16个对比样本中应用后，总速度–$ M_\star $ 关系在 $ z \geq 1 $ 时的平均速度零点偏移为 $+0.12$ dex（或 $ M_\star $ 零点偏移 $-0.45$ dex），与连续演化一致。
• 数据支持星族质量与动力学质量之比从 $ z \approx 4 $ 到现今持续下降的场景，尽管在 $ 1 < z < 4 $ 期间比例恒定而后下降的模型也无法被排除。
• Tully-Fisher偏移对 $ V_C/\sigma_{\text{int}} $ 的强烈依赖性表明，高红移星系动力学尚不成熟，显著的压力支撑贡献于动力学质量。