[论文解读] The Magnitude-Size Relation of Galaxies out to z ~ 1

Luc Simard, David C. Koo+7 more|ArXiv.org|Feb 9, 1999

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 31被引用 97

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜和凯克望远镜的数据，分析了190个星系在红移z ~ 1以内的亮度-大小关系，发现盘面表面亮度的表观演化主要由选择效应驱动。在对这些效应进行校正后，未发现在明亮盘状主导星系中存在显著演化，支持了经典弗里曼盘面表面亮度（μ₀,B = 21.65 mag arcsec⁻²）在宇宙时空中保持稳定。

ABSTRACT

As part of the Deep Extragalactic Evolutionary Probe (DEEP) survey, a sample of 190 field galaxies (I_{814} <= 23.5) in the ``Groth Survey Strip'' has been used to analyze the magnitude-size relation over the range 0.1 < z < 1.1. The survey is statistically complete to this magnitude limit. All galaxies have photometric structural parameters, including bulge fractions (B/T), from Hubble Space Telescope images, and spectroscopic redshifts from the Keck Telescope. The analysis includes a determination of the survey selection function in the magnitude-size plane as a function of redshift, which mainly drops faint galaxies at large distances. Our results suggest that selection effects play a very important role. A first analysis treats disk-dominated galaxies with B/T < 0.5. If selection effects are ignored, the mean disk surface brightness (averaged over all galaxies) increases by ~1.3 mag from z = 0.1 to 0.9. However, most of this change is plausibly due to comparing low luminosity galaxies in nearby redshift bins to high luminosity galaxies in distant bins. If this effect is allowed for, no discernible evolution remains in the disk surface brightness of bright (M_B < -19) disk-dominated galaxies. A second analysis treats all galaxies by substituting half-light radius for disk scale length, with similar conclusions. Indeed, at all redshifts, the bulk of galaxies is consistent with the magnitude-size envelope of local galaxies, i.e., with little or no evolution in surface brightness. In the two highest redshift bins (z > 0.7), a handful of luminous, high surface brightness galaxies appears that occupies a region of the magnitude-size plane rarely populated by local galaxies. Their wide range of colors and bulge fractions points to a variety of possible origins.

研究动机与目标

• 研究星系在红移z ~ 1以内的亮度-大小关系演化。
• 评估调查选择函数在解释表面亮度演化中的作用。
• 确定盘状主导星系在宇宙时空中是否表现出中心表面亮度的可测量变化。
• 将高红移星系与本地样本进行比较，以识别潜在的演化趋势。

提出的方法

• 本研究使用DEEP调查在格罗思星场条带中获得的190个场星系（I₈₁₄ ≤ 23.5）的统计完整样本。
• 通过哈勃空间望远镜成像推导出星系的结构参数，包括星系核球分数（B/T）、半光半径和绝对星等。
• 利用凯克望远镜的光谱红移数据确定宇宙距离，并校正至本征帧星等。
• 建立依赖红移的调查选择函数S_US(M_B₀, R_d)，以量化对遥远、暗淡星系的检测偏差。
• 利用选择函数校正观测到的表面亮度分布，以估计真实分布，应用公式7将数据缩放至统一的选择函数。
• 与本地样本（如BBFN、Burstein等）及其他高红移调查（Schade等、Roche等）进行比较，以评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从z ~ 0.1到z ~ 0.9，盘状主导星系的中心表面亮度是否显著演化？
• RQ2 调查选择效应在多大程度上模拟或掩盖了高红移星系样本中的真实表面亮度演化？
• RQ3 高红移星系的亮度-大小关系与经典弗里曼关系（μ₀,B = 21.65 mag arcsec⁻²）相比如何？
• RQ4 在高红移时，盘状主导星系与核球主导星系的亮度-大小关系是否存在系统性差异？
• RQ5 有多少比例的高红移星系位于亮度-大小平面的高表面亮度区域，其成因可能是什么？

主要发现

• 从z = 0.2时的μ₀,B = 21.7 mag arcsec⁻²到z = 0.8时的20.4 mag arcsec⁻²，平均盘面表面亮度的表观增加主要源于高红移时更明亮星系被优先选择的效应。
• 在对调查选择函数进行校正后，在0.1 < z < 0.9范围内，未观测到明亮（M_B < -19）盘状主导星系的中心表面亮度有显著演化。
• 所有红移下的星系，包括高红移区间，均与经典弗里曼关系（μ₀,B = 21.65 mag arcsec⁻²）定义的本地亮度-大小包络一致。
• 在两个最高红移区间（z > 0.7），少数明亮、高表面亮度星系出现在本地星系中罕见的区域，表明其起源多样。
• 在最高红移区间中，约25%的星系仍靠近经典弗里曼表面亮度，表明在z ~ 1时高表面亮度盘状星系并不罕见。
• 使用半光半径而非盘面尺度长度得到的结果相似，进一步强化了该结果在不同结构定义下的稳健性。