[论文解读] The LEGA-C and SAMI Galaxy Surveys: Quiescent Stellar Populations and the Mass-Size Plane across 6 Gyr

Tania M. Barone, Francesco D’Eugenio+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 163被引用 29

一句话总结

本研究利用 LEGA-C（z ≈ 0.7）和 SAMI（z ≈ 0.05）巡天，调查了过去60亿年中宁静星系恒星群体的演化。研究发现，金属丰度与质量-大小比（M/Rₑ）在高红移和低红移均呈相关性，支持引力势能作为金属保留的调节机制；而年龄–表面密度关系（age vs. M/R²ₑ）仅在低红移时显现，这是由于熄灭阈值随红移变化所致。

ABSTRACT

We investigate the change in mean stellar population age and metallicity ([Z/H]) scaling relations for quiescent galaxies from intermediate redshift ($0.60\leq z\leq0.76$) using the LEGA-C Survey, to low redshift ($0.014\leq z\leq0.10$) using the SAMI Galaxy Survey. We find that, similarly to their low-redshift counterparts, the stellar metallicity of quiescent galaxies at $0.60\leq z\leq 0.76$ closely correlates with $M_*/R_\mathrm{e}$ (a proxy for the gravitational potential or escape velocity), in that galaxies with deeper potential wells are more metal-rich. This supports the hypothesis that the relation arises due to the gravitational potential regulating the retention of metals, by determining the escape velocity required by metal-rich stellar and supernova ejecta to escape the system and avoid being recycled into later stellar generations. On the other hand, we find no correlation between stellar age and $M_*/R_\mathrm{e}^2$ (stellar mass surface density $\Sigma$) in the LEGA-C sample, despite this being a strong relation at low redshift. We consider this change in the age--$\Sigma$ relation in the context of the redshift evolution of the star-forming and quiescent populations in the mass--size plane, and find our results can be explained as a consequence of galaxies forming more compactly at higher redshifts, and remaining compact throughout their evolution. Furthermore, galaxies appear to quench at a characteristic surface density that decreases with decreasing redshift. The $z\sim 0$ age--$\Sigma$ relation is therefore a result of building up the quiescent and star-forming populations with galaxies that formed at a range of redshifts and so a range of surface densities.

研究动机与目标

• 理解恒星群体属性（年龄与金属丰度）在宇宙时空中于宁静星系中的演化机制。
• 检验年龄、金属丰度与结构参数（质量与大小）之间标度关系在不同红移下的一致性。
• 区分单个星系演化与质量-大小平面中群体趋势的影响。
• 探究引力势能与表面密度在调控熄灭与金属富集中的作用。

提出的方法

• 比较来自 1,000 多个宁静星系的、在 LEGA-C（0.60 ≤ z ≤ 0.76）和 SAMI（0.014 ≤ z ≤ 0.10）巡天中获得的空间积分恒星群体参数（年龄、[Z/H]）。
• 利用恒星质量（M*）和动力学质量代理（M_D ∝ σ²R_e）探测质量-大小平面。
• 分析年龄与 M/R²ₑ（表面密度）之间的标度关系，以及金属丰度与 M/Rₑ（势能代理）之间的关系。
• 采用统计建模方法评估质量-大小关系的红移演化及其对年龄-表面密度趋势的影响。
• 在两个巡天中采用一致的测光与光谱数据处理技术，以确保跨红移的可比性。
• 利用宇宙学模型与孔径修正测量值，推导全局恒星群体属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等红移（z ≈ 0.7）时，金属丰度–质量-大小比（M/Rₑ）关系是否依然存在？
• RQ2 为何年龄–表面密度（M/R²ₑ）关系在 z ≈ 0.7 时消失，尽管在 z ≈ 0 时存在？
• RQ3 质量-大小平面的红移演化如何影响低红移时观测到的年龄–表面密度关系？
• RQ4 引力势能在调控宁静星系的金属丰度与熄灭过程中的作用是什么？
• RQ5 低红移年龄–表面密度关系是否为星系在不同红移与表面密度下熄灭的累积效应？

主要发现

• 在 z ≈ 0.7 时，[Z/H]–M/Rₑ 关系依然存在，证实更深的引力势阱与更高的金属丰度相关。
• 在 z ≈ 0.7 时，年龄–M/R²ₑ 关系缺失，表明表面密度在高红移宁静星系中不调节年龄。
• 在 z ≈ 0.7 时，宁静星系的质量-大小关系斜率 ≈0.5，导致 M/Σ 关系趋于平坦，且截距随红移降低而减小。
• 星系在红移依赖的表面密度阈值下熄灭，且高红移时阈值更高。
• 低红移年龄–M/R²ₑ 关系是星系在不同红移与表面密度下熄灭的复合效应。
• 结果支持一种情景：星系在高红移时形成更为紧凑，随后演化过程中无显著大小增长，且熄灭发生在随时间减小的特征表面密度处。