[论文解读] The Star Formation Rates of Elliptical Galaxies from Core-Collapse Supernovae

Thomas M. Sedgwick, I. K. Baldry+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 4

一句话总结

本研究利用核心坍缩超新星（CCSNe）作为椭圆星系中近期恒星形成活动的明确示踪剂，在SDSS条带82区域应用贝叶斯方法，基于颜色和形态对星系进行分类。研究发现，椭圆星系对当前宇宙恒星形成率密度的贡献为11.2±3.1%（统计误差），其大质量椭圆星系的平均比恒星形成率（SSFR）为9.2×10⁻¹² yr⁻¹，与SED拟合估计一致，表明存在持续的低水平恒星形成。

ABSTRACT

The level of star formation in elliptical galaxies is poorly constrained, due to difficulties in quantifying the contamination of flux-based estimates of star formation from unrelated phenomena, such as AGN and old stellar populations. We here utilise core-collapse supernovae (CCSNe) as unambiguous tracers of recent star formation in ellipticals within a cosmic volume. We firstly isolate a sample of 421 z < 0.2, r < 21.8 mag CCSNe from the SDSS-II Supernova Survey. We then introduce a Bayesian method of identifying ellipticals via their colours and morphologies in a manner unbiased by redshift and yet consistent with manual classification from Galaxy Zoo 1. We find ~ 25 % of z < 0.2 r < 20 mag galaxies in the Stripe 82 region are ellipticals (~ 28000 galaxies). In total, 36 CCSNe are found to reside in ellipticals. We demonstrate that such early-types contribute a non-negligible fraction of star formation to the present-day cosmic budget, at 11.2 $\pm$ 3.1 (stat) $^{+3.0}_{-4.2}$ (sys) %. Coupling this result with the galaxy stellar mass function of ellipticals, the mean specific star formation rate (SSFR; $\overline{S}$) of these systems is derived. The best-fit slope is given by log ($\overline{S}(M)$/yr) = - (0.80 $\pm$ 0.59) log ($M/10^{10.5} m{M}_{\odot}$) - 10.83 $\pm$ 0.18. The mean SSFR for all log ($M/ m{M}_{\odot}$) > 10.0 ellipticals is found to be $\overline{S} = 9.2 \pm 2.4$ (stat) $^{+2.7}_{-2.3}$ (sys) $ imes 10^{-12}$ yr$^{-1}$, which is consistent with recent estimates via SED-fitting, and is 11.8 $\pm$ 3.7 (stat) $^{+3.5}_{-2.9}$ (sys) % of the mean SSFR level on the main sequence as also derived from CCSNe. We find the median optical spectrum of elliptical CCSN hosts is statistically consistent with that of a control sample of ellipticals that do not host CCSNe, implying that these SN-derived results are well-representative of the total low-z elliptical population.

研究动机与目标

• 为解决传统基于流量的诊断方法中，活动星系核（AGN）、老年恒星种群和类行星状星云后阶段恒星对椭圆星系恒星形成率（SFR）测量造成的污染问题。
• 通过使用核心坍缩超新星（CCSNe）作为近期恒星形成的明确示踪剂，克服紫外、红外和Hα指标的局限性。
• 开发一种基于颜色和形态的贝叶斯分类方法，以无红移偏差的方式识别椭圆星系，并与Galaxy Zoo的人工分类保持一致。
• 量化椭圆星系对当前宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献，并推导其平均比恒星形成率（SSFR）。
• 通过光谱比较评估宿主超新星的椭圆星系是否能代表低红移椭圆星系的总体特征。

提出的方法

• 从SDSS-II超新星巡天中提取了421个红移z<0.2且视星等r<21.8的核心坍缩超新星（CCSNe）样本。
• 开发了一套贝叶斯分类框架，利用u-g、g-r、r-i和i-z颜色以及de Vaucouleurs浓度指数识别椭圆星系，训练目标为匹配Galaxy Zoo 1的人工分类结果。
• 将该方法应用于SDSS条带82区域中28,000个红移z<0.2且视星等r<20等目的星系，得到25%的椭圆星系比例。
• 在最终分类的椭圆星系样本中，共发现36个CCSNe宿主。
• 通过使用Salpeter初始质量函数和10 Myr的恒星形成 timescale，将观测到的CCSNe速率换算为SFR，计算出这些椭圆星系对宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献。
• 通过将SFRD结果与椭圆星系的星族质量函数结合，拟合SSFR–质量关系的幂律关系，推导出比恒星形成率（SSFR）。

实验结果

研究问题

• RQ1 椭圆星系通过核心坍缩超新星示踪，对当前宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献比例是多少？
• RQ2 大质量椭圆星系（log(M/M☉) > 10.0）的比恒星形成率（SSFR）如何随恒星质量演化？其平均值是多少？
• RQ3 宿主CCSNe的椭圆星系在光学光谱上是否能代表更广泛的低红移椭圆星系群体？
• RQ4 传统SFR指标（如紫外、Hα）在测量椭圆星系恒星形成时，因非恒星形成过程的污染而失效的程度如何？
• RQ5 基于光度颜色和形态的贝叶斯分类方法能否可靠地识别椭圆星系，且无红移偏差？其与人工分类结果相比如何？

主要发现

• 椭圆星系对当前宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献为11.2±3.1%（统计误差）和+3.0/-4.2%（系统误差）。
• 大质量椭圆星系（log(M/M☉) > 10.0）的平均比恒星形成率（SSFR）为9.2±2.4（统计误差）和+2.7/-2.3（系统误差）×10⁻¹² yr⁻¹。
• 椭圆星系的SSFR–质量关系最佳拟合为幂律：log(SSFR/yr⁻¹) = –(0.80±0.59)log(M/10¹⁰.⁵M☉) – 10.83±0.18。
• 宿主CCSNe的椭圆星系的中位光学光谱与非SN椭圆星系对照样本在统计上无显著差异，表明SN宿主星系能代表更广泛的星系群体。
• 结果与近期SED拟合估计一致，表明椭圆星系贡献了主序SSFR水平的11.8±3.7%（统计误差）和+3.5/-2.9%（系统误差）。
• 本研究证实，核心坍缩超新星为早期型星系中近期恒星形成提供了稳健且无污染的示踪手段，解决了SFR测量长期存在的模糊性问题。