[论文解读] xGASS: characterizing the slope and scatter of the stellar mass - angular momentum relation for nearby galaxies

Jennifer A Hardwick, L. Cortese+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 75被引用 21

一句话总结

本研究基于xGASS巡天的564个近邻星系，利用未分辨的HI速度宽度和恒星质量分布，分析了恒星质量-特定角动量关系（Fall关系）。结果表明，尽管按形态分类的内在斜率约为2/3，但混合样本的总斜率较浅，约为0.47，这是由于形态多样性所致；HI气体分数是散差的主要驱动因素，尤其在低质量星系中，而在高质量星系中，球状体与总质量比（bulge-to-total ratio）的影响逐渐增强。

ABSTRACT

We present a detailed study of the stellar mass vs. specific angular momentum (AM) relation (Fall relation) for a representative sample of 564 nearby galaxies in the eXtended GALEX Arecibo SDSS Survey (xGASS). We focus on the dependence of the Fall relation's slope on galaxy type and the galaxy properties regulating its scatter. Stellar specific AM is determined by combining single-dish H{\sc i} velocity widths and stellar mass profiles for all H{\sc i} detections in the xGASS sample. At fixed morphology (or bulge-to-total ratio), we find that the power law slope of the Fall relation is consistent with 2/3. However, when all galaxy types are combined, we recover a much shallower slope of $\sim$0.47. We show that this is a consequence of the change in galaxy morphology as a function of mass, highlighting that caution should be taken when using the slope of the Fall relation to constrain galaxy formation models without taking sample selection into account. We quantify the Fall relations scatter and show that H{\sc i} gas fraction is the strongest correlated parameter for low stellar masses (Spearman correlation: $ ho_{s} = 0.61$), while the bulge-to-total ratio becomes slightly more dominant at higher masses ($ ho_{s} = -0.29$). Intriguingly, when only the disc components of galaxies are considered, H{\sc i} gas fraction remains the strongest correlated parameter with the scatter of the relation (regardless of disc stellar mass). Our work provides one of the best characterisations of the Fall relation for a representative sample of galaxies in the local Universe.

研究动机与目标

• 表征一个代表性近邻星系样本中恒星质量-特定角动量关系（Fall关系）的斜率与散差。
• 研究星系形态与结构特性如何影响Fall关系的斜率与散差。
• 确定Fall关系中散差的主要物理驱动因素，特别是气体含量与球状体分数。
• 通过使用一个大规模且形态多样的样本，量化该关系以改进星系形成模型的约束。

提出的方法

• 利用阿雷西博望远镜获取的未分辨HI速度宽度，估算xGASS巡天中564个星系的旋转速度与特定角动量。
• 将HI速度宽度与结构分解得到的二维恒星质量面密度分布相结合，推导出恒星特定角动量（j★）。
• 使用稳健的统计方法（包括自 resampling）对全样本及按形态分类的样本拟合j★与M★之间的幂律关系。
• 量化Fall关系中的散差，并利用Spearman等级相关性分析其与星系属性（如HI气体分数、球状体与总质量比B/T、恒星形成率）的相关性。
• 单独分析盘状成分，以隔离盘稳定性和气体含量在散差中的作用。
• 所有距离与质量计算均采用宇宙学参数：H₀ = 70 km s⁻¹ Mpc⁻¹，Ωₘ = 0.3，ΩΛ = 0.7。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑恒星质量范围内星系形态变化的情况下，恒星质量-特定角动量关系的真实斜率是什么？
• RQ2 Fall关系中的散差与HI气体分数、球状体与总质量比等物理属性的相关性如何？
• RQ3 HI气体分数是否是Fall关系中散差的主要驱动因素，特别是在盘状主导星系中？
• RQ4 散差的主要驱动因素是否随恒星质量变化，特别是在低质量与高质量星系之间？
• RQ5 在异质样本中，形态混合在多大程度上扭曲了Fall关系的观测斜率？

主要发现

• 在固定球状体与总质量比（B/T）条件下，恒星质量-特定角动量关系的幂律斜率与冷暗物质晕模型预期一致，约为2/3。
• 当所有星系类型合并时，Fall关系的观测斜率变浅，约为0.47，这是由于恒星质量随形态系统性变化所致。
• 对于低质量星系，HI气体分数与散差的相关性最强（Spearman ρₛ = 0.61），表明盘稳定性和气体含量之间存在强烈物理关联。
• 在更高恒星质量下，球状体与总质量比在解释散差中的作用略有增强（ρₛ = -0.29），表明主导物理机制发生转变。
• 当仅考虑盘状成分时，无论盘状恒星质量大小，HI气体分数始终是散差的最强驱动因素，进一步强化其在盘稳定性和角动量调控中的作用。
• 结果表明，Fall关系中的散差主要受气态盘稳定性的控制，而HI气体分数可作为该稳定性的关键代理指标。