[论文解读] The spatially-resolved star formation histories of CALIFA galaxies: Implications for galaxy formation

R. M. González Delgado, E. Pérez+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 178被引用 37

一句话总结

本研究对436个CALIFA星系应用了空间分辨的星族合成法，以重建其在整个宇宙时空中恒星形成历史（SFHs）。结果表明，所有星系在高红移（z > 2）时均快速形成，后期型和质量较小的旋涡星系表现出持续的恒星形成，而早型星系（ETGs）则经历了两阶段增长：在高红移时期中心区域发生一次主要爆发，随后在z ≈ 2至0.4之间逐步形成外围包层，与两阶段形成情景一致。

ABSTRACT

This paper presents the spatially resolved star formation history (SFH) of nearby galaxies with the aim of furthering our understanding of the different processes involved in the formation and evolution of galaxies. To this end, we apply the fossil record method of stellar population synthesis to a rich and diverse data set of 436 galaxies observed with integral field spectroscopy in the CALIFA survey. The sample covers a wide range of Hubble types, with stellar masses ranging from $M_\star \sim 10^9$ to $7 imes 10^{11} M_\odot$. Spectral synthesis techniques are applied to the datacubes to retrieve the spatially resolved time evolution of the star formation rate (SFR), its intensity ($Σ_{ m SFR}$), and other descriptors of the 2D-SFH in seven bins of galaxy morphology (E, S0, Sa, Sb, Sbc, Sc, and Sd), and five bins of stellar mass. Our main results are: a) Galaxies form very fast independently of their current stellar mass, with the peak of star formation at high redshift ($z > 2$). Subsequent star formation is driven by $M_\star$ and morphology, with less massive and later type spirals showing more prolonged periods of star formation. b) At any epoch in the past the SFR is proportional to $M_\star$, with most massive galaxies having the highest absolute (but lowest specific) SFRs. c) While nowadays $Σ_{ m SFR}$ is similar for all spirals, and significantly lower in early type galaxies (ETG), in the past $Σ_{ m SFR}$ scales well with morphology. The central regions of today's ETGs are where $Σ_{ m SFR}$ reached the highest values ($> 10^3 \,M_\odot\,$Gyr$^{-1}\,$pc$^{-2}$), similar to those measured in high redshift star forming galaxies. d) The evolution of $Σ_{ m SFR}$ in Sbc systems matches that of models for Milky-Way-like galaxies, suggesting that the formation of a thick disk may be a common phase in spirals at early epochs.

研究动机与目标

• 通过重建宇宙时空中星系的空间分辨恒星形成历史（SFHs），理解星系的形成与演化。
• 确定星系形态和恒星质量如何影响恒星形成的时机、强度和持续时间。
• 利用空间分辨的恒星形成率（SFR）和表面密度（Σ_SFR）演化，检验早型星系（ETGs）的两阶段形成情景。
• 通过比较不同形态类型星系的SFH，评估晕层熄灭是否是大质量星系中主导的熄灭机制。
• 通过分析星系核的SFH，探究“红核心”（red nuggets）的起源。

提出的方法

• 将恒星族合成的化石记录法应用于CALIFA积分场光谱调查的3D数据立方体。
• 使用谱谱能量分布（SED）拟合方法推导出空间分辨的SFH，涵盖7种哈勃类型和5个恒星质量区间内SFR和Σ_SFR的时间演化。
• 利用具有Chabrier初始质量函数和灵活恒星形成历史参数化的星族合成模型对SFH重建进行校准。
• 以M⊙ Gyr⁻¹ pc⁻²为单位计算表面恒星形成率（Σ_SFR），以便在不同星系和时期之间比较局部强度。
• 在径向分箱（如R < 0.5 HLR，1.5 < R < 2 HLR）中追踪SFR和Σ_SFR的演化，研究由内而外的生长与熄灭过程。
• 将重建的SFH与银河系类厚盘形成理论模型及两阶段ETG形成情景进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系的恒星形成历史如何随形态和恒星质量在宇宙时空中演变？
• RQ2 早型星系（ETGs）在多大程度上遵循包含早期致密形成和后期包层增长的两阶段形成情景？
• RQ3 晕层熄灭是否是大质量星系中关闭恒星形成的主要机制，还是熄灭过程更缓慢且依赖于形态？
• RQ4 ETGs和早型旋涡星系的星系核是否包含高红移‘红核心’的遗迹，其特征为早期快速熄灭？
• RQ5 空间分辨的Σ_SFR从z > 2到现今如何演化，是否与恒星形成主序列相匹配？

主要发现

• 所有星系在高红移（z > 2）时均快速形成，且峰值恒星形成发生在z = 2之前，与当前恒星质量无关。
• 现今ETGs的中心区域在z > 2时具有最高的Σ_SFR值（>10³ M⊙ Gyr⁻¹ pc⁻²），与高红移星爆星系相当。
• Sbc星系的Σ_SFR演化与厚盘形成模型一致，其中心区域的Σ_SFR从z > 2时的约600 M⊙ Gyr⁻¹ pc⁻²下降至z < 1时的约100 M⊙ Gyr⁻¹ pc⁻²。
• E型和S0型星系的外区在z ≈ 2至z ≈ 0.4之间显著增长，质量增加了约1.6倍，支持两阶段形成情景。
• 仅在最质量最大的ETGs（M⋆ > 2×10¹¹ M⊙）中观测到快速熄灭，而质量较小的ETGs和旋涡星系则表现出持续且缓慢的熄灭。
• 星系核（~1 kpc内）在z > 2时已形成超过80%的质量并快速熄灭，表明其为高红移‘红核心’的遗迹。