[论文解读] The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: V. Spatially resolved stellar kinematics of galaxies at redshift $0.2\lesssim z \lesssim 0.8$

Adrien Guérou, Davor Krajnović+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 98被引用 29

一句话总结

本研究利用哈勃超深空场中的深场MUSE/VLT积分场光谱，首次对17个中红移星系（0.2 ≤ z ≤ 0.8）实现了空间分辨的恒星运动学测量。通过全谱拟合，获得了恒星速度（V）和速度 dispersion（σ）的二维分布图，结果表明：40–70亿年前，规则旋转的恒星盘且速度 dispersion 恒定的系统已存在；气体运动学紧密追踪引力势能，表明这些系统中湍流或激波的影响极小。

ABSTRACT

We present spatially resolved stellar kinematic maps, for the first time, for a sample of 17 intermediate redshift galaxies (0.2 < z < 0.8). We used deep MUSE/VLT integral field spectroscopic observations in the Hubble Deep Field South (HDFS) and Hubble Ultra Deep Field (HUDF), resulting from ~30h integration time per field, each covering 1'x1' field of view, with ~0.65" spatial resolution. We selected all galaxies brighter than 25mag in the I band and for which the stellar continuum is detected over an area that is at least two times larger than the spatial resolution. The resulting sample contains mostly late-type disk, main-sequence star-forming galaxies with 10^8.5 - 10^10.5 Msun. Using a full-spectrum fitting technique, we derive two-dimensional maps of the stellar and gas kinematics, including the radial velocity V and velocity dispersion sigma. We find that most galaxies in the sample are consistent with having rotating stellar disks with roughly constant velocity dispersions and that the Vrms=sqrt{V^2+sigma^2} of the gas and stars, a scaling proxy for the galaxy gravitational potential, compare well to each other. These spatially resolved observations of intermediate redshift galaxies suggest that the regular stellar kinematics of disk galaxies that is observed in the local Universe was already in place 4 - 7 Gyr ago and that their gas kinematics traces the gravitational potential of the galaxy, thus is not dominated by shocks and turbulent motions. Finally, we build dynamical axisymmetric Jeans models constrained by the derived stellar kinematics for two specific galaxies and derive their dynamical masses. These are in good agreement (within 25%) with those derived from simple exponential disk models based on the gas kinematics. The obtained mass-to-light ratios hint towards dark matter dominated systems within a few effective radii.

研究动机与目标

• 利用深场积分场光谱，测量中红移星系（0.2 ≤ z ≤ 0.8）的空间分辨恒星运动学。
• 确定本地宇宙中观测到的规则恒星盘运动学特征是否在宇宙年龄约40–70亿年前已形成。
• 评估这些星系中气体运动学是否主要反映引力势能，而非受湍流或激波主导。
• 比较由恒星运动学推导的动力学质量与气体运动学推导的质量以及SED拟合得到的恒星质量，评估暗物质含量。

提出的方法

• 在哈勃超深空场和哈勃深空场南区获取深场MUSE/VLT积分场光谱（每场约30小时），覆盖1′ × 1′区域。
• 选择I波段星等 <25等且恒星连续谱在空间分辨率2倍以上范围内可检测的星系，以确保运动学测量的可靠性。
• 应用全谱拟合，从恒星连续谱中推导出恒星径向速度（V）和速度 dispersion（σ）的二维分布图。
• 计算第二速度矩 $V_{\rm rms} = \sqrt{V^2 + \sigma^2}$，作为引力势能的代理，比较恒星与电离气体之间的差异。
• 构建轴对称的Jeans动力学模型，利用观测到的 $V_{\rm rms}$ 分布图，为两个代表性星系推导动力学质量。
• 将由恒星运动学推导的动力学质量与气体运动学（假设为指数盘模型）推导的质量以及SED拟合得到的恒星质量进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 中红移星系（0.2 ≤ z ≤ 0.8）是否表现出与本地盘星系类似的规则旋转恒星盘？
• RQ2 这些星系的恒星速度 dispersion 在盘面中是否空间分布恒定，表明系统稳定且已达到平衡？
• RQ3 气体运动学在多大程度上反映星系的引力势能，而非受湍流或激波主导？
• RQ4 由恒星运动学推导的动力学质量与由气体运动学推导的质量以及SED拟合的恒星质量在多大程度上一致？
• RQ5 基于动力学建模，在几个有效半径范围内，推断的暗物质含量是多少？

主要发现

• 样本中大多数星系表现出规则旋转的恒星盘，恒星速度 dispersion（σ）范围约为30至90 km s⁻¹，且在空间覆盖范围内保持恒定。
• 恒星旋转速度范围从接近零（面朝向、受扰动系统）到约40–130 km s⁻¹（边缘朝向、盘状系统），表明存在显著的旋转支持。
• 恒星与气体的第二速度矩 $V_{\rm rms}$ 在空间像素中呈现紧密的1:1相关性，表明气体运动学未受强湍流影响，准确追踪引力势能。
• 恒星运动学主轴与气体运动学主轴之间的平均夹角为9° ± 33°，恒星运动学主轴与光度主轴之间的平均夹角为16° ± 14°，支持整体轴对称、扁球状系统。
• 基于 $V_{\rm rms}$ 分布图约束的轴对称Jeans模型推导的动力学质量，与假设指数盘模型的气体运动学质量结果在10–25%以内一致，验证了模型的可靠性。
• 动力学质量显著高于SED拟合得到的恒星质量，表明在这两个示例星系中，几个有效半径范围内均为暗物质主导。