[论文解读] The Properties of the Star-Forming Interstellar Medium at z=0.84-2.23 from HiZELS - I: Mapping the Internal Dynamics and Metallicity Gradients in High-Redshift Disk Galaxies

A. M. Swinbank, David Sobral+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用自适应光学光谱法对红移 z=0.84–2.23 的 9 个 Hα 选源星系进行观测，绘制了电离气体动力学与金属丰度梯度，结果表明高红移盘星系表现出强烈的旋转运动及负的金属丰度梯度。关键发现显示，从 z≈1.5 到 z=0，B 波段质量-光度比增加了 3.5 倍，星 stellar 质量 Tully-Fisher 关系演化表明恒星形成效率保持恒定，而光度驱动的尺度关系则表现出显著演化。

ABSTRACT

We present adaptive optics assisted, spatially resolved spectroscopy of a sample of nine H-alpha-selected galaxies at z=0.84--2.23 drawn from the HiZELS narrow-band survey. These galaxies have star-formation rates of 1-27Mo/yr and are therefore representative of the typical high-redshift star-forming population. Our ~kpc-scale resolution observations show that approximately half of the sample have dynamics suggesting that the ionised gas is in large, rotating disks. We model their velocity fields to infer the inclination-corrected, asymptotic rotational velocities. We use the absolute B-band magnitudes and stellar masses to investigate the evolution of the B-band and stellar mass Tully-Fisher relationships. By combining our sample with a number of similar measurements from the literature, we show that, at fixed circular velocity, the stellar mass of star-forming galaxies has increased by a factor 2.5 between z=2 and z=0, whilst the rest-frame B-band luminosity has decreased by a factor ~6 over the same period. Together, these demonstrate a change in mass-to-light ratio in the B-band of Delta(M/L_B)/(M/L_B)_(z=0) \sim 3.5 between z=1.5 and z=0, with most of the evolution occurring below z=1. We also use the spatial variation of [NII]/Halpha to show that the metallicity of the ionised gas in these galaxies declines monotonically with galacto-centric radius, with an average Delta(log O/H)/DeltaR=-0.027+/-0.005dex/kpc. This gradient is consistent with predictions for high-redshift disk galaxies from cosmologically based hydrodynamic simulations.

研究动机与目标

• 测量红移 z=0.84–2.23 的高红移星暴盘星系内部运动学与金属丰度结构。
• 检验在宇宙时空中，基于静止系 B 波段光度与恒星质量的 Tully-Fisher 关系演化。
• 评估观测到的金属丰度梯度与宇宙学流体动力学模拟及星系形成模型的一致性。
• 确定高红移盘星系是沿尺度关系演化，还是经历显著的结构变化。
• 约束气体吸积与反馈在塑造盘星系尺度关系与化学丰度分布中的作用。

提出的方法

• 获取了来自 HiZELS 巡天项目、红移 z=0.84–2.23 的 9 个 Hα 发射星系的空间分辨、自适应光学辅助 SINFONI 光谱数据。
• 利用 Hα 与 [N ii] 发射线追踪电离气体动力学，以推导旋转曲线与速度场。
• 通过建模速度场，推断出校正倾角后的渐近旋转速度（V_circ）与动力学质量。
• 结合文献数据，在不同红移下构建静止系 B 波段与恒星质量 Tully-Fisher 关系。
• 利用空间分辨的 [N ii]/Hα 比值测量电离气体中的径向金属丰度梯度，假设 O/H 为丰度代理指标。
• 将观测到的尺度关系与金属丰度梯度与宇宙学流体动力学模拟及半分析模型的预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星暴盘星系是否表现出大尺度、有序的旋转运动，其动力学质量如何？
• RQ2 从 z≈2 到 z=0，B 波段与恒星质量 Tully-Fisher 关系如何演化，这对恒星形成效率有何含义？
• RQ3 高红移盘星系电离星际介质的径向金属丰度梯度为何值，与本地星系及模拟结果相比如何？
• RQ4 观测到的 Tully-Fisher 关系演化是否与气体吸积及反馈驱动的盘星系演化一致？
• RQ5 高红移盘星系是否遵循与本地螺旋星系相同的尺度关系，还是需要不同的形成机制？

主要发现

• 样本星系中约一半表现出大尺度、旋转的电离气体盘，其校正倾角后的旋转速度通过动力学建模获得。
• 静止系 B 波段 Tully-Fisher 关系表现出强烈演化：在固定旋转速度下，B 波段光度从 z≈2 到 z=0 减少约 6 倍。
• 恒星质量 Tully-Fisher 关系仅表现出适度演化，从 z=2 到 z=0 恒星质量增加约 2.5 倍，表明恒星物质转换效率近乎恒定。
• B 波段质量-光度比从 z≈1.5 到 z=0 的演化因子为 Δ(M/L_B)/(M/L_B)_z=0 ≈ 3.5，其中大部分演化发生在 z<1 时。
• 电离气体中平均径向金属丰度梯度为 Δlog(O/H)/ΔR = −0.027 ± 0.005 dex kpc⁻¹，与本地盘星系及宇宙学模拟中观测到的负梯度一致。
• 在相同旋转速度下，高红移盘星系的尺寸仅为本地盘星系的 1.5 倍，表明角动量演化可能源于外流或后期吸积。