[论文解读] zCOSMOS - 10k-bright spectroscopic sample. The bimodality in the Galaxy Stellar Mass Function: exploring its evolution with redshift

L. Pozzetti, M. Bolzonella+57 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jul 30, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 148被引用 239

一句话总结

该论文基于zCOSMOS-bright 10,000个光谱确认样本，揭示了星系恒星质量函数（GSMF）的双峰分布，其最佳描述为早型与晚型星系分别采用两个Schechter函数。研究发现质量依赖的演化（即“下行”演化）特征：红星系在高恒星质量下更早形成，主要由渐进式恒星形成抑制驱动，而非主要并合事件；同时发现形态演化滞后于颜色变化约1–2 Gyr。

ABSTRACT

We present the Galaxy Stellar Mass Function (MF) up to z~1 from the zCOSMOS-bright 10k spectroscopic sample. We investigate the total MF and the contribution of ETGs and LTGs, defined by different criteria (SED, morphology or star formation). We unveil a galaxy bimodality in the global MF, better represented by 2 Schechter functions dominated by ETGs and LTGs, respectively. For the global population we confirm that low-mass galaxies number density increases later and faster than for massive galaxies. We find that the MF evolution at intermediate-low values of Mstar (logM<10.6) is mostly explained by the growth in stellar mass driven by smoothly decreasing star formation activities. The low residual evolution is consistent with ~0.16 merger per galaxy per Gyr (of which fewer than 0.1 are major). We find that ETGs increase in number density with cosmic time faster for decreasing Mstar, with a median "building redshift" increasing with mass, in contrast with hierarchical models. For LTGs we find that the number density of blue or spiral galaxies remains almost constant from z~1. Instead, the most extreme population of active star forming galaxies is rapidly decreasing in number density. We suggest a transformation from blue active spirals of intermediate mass into blue quiescent and successively (1-2 Gyr after) into red passive types. The complete morphological transformation into red spheroidals, required longer time-scales or follows after 1-2 Gyr. A continuous replacement of blue galaxies is expected by low-mass active spirals growing in stellar mass. We estimate that on average ~25% of blue galaxies is transforming into red per Gyr for logM<11. We conclude that the build-up of galaxies and ETGs follows the same downsizing trend with mass as the formation of their stars, converse to the trend predicted by current SAMs. We expect a negligible evolution of the global Galaxy Baryonic MF.

研究动机与目标

• 利用8,500个I < 22.5的光谱确认星系大样本，测量红移z ≈ 1以内的星系恒星质量函数（GSMF）。
• 通过多种分类标准（包括光谱能量分布、形态、光谱特征（如D_n4000）及恒星形成活动）将星系划分为早型（ETGs）与晚型（LTGs），以探究双峰GSMF的成因。
• 确定观测到的GSMF演化背后的演化机制，特别是恒星形成抑制与并合过程的作用。
• 通过对比观测演化与模拟的并合率及恒星形成历史，检验半解析模型（SAMs）的预测。
• 评估平滑质量增长、小质量并合与大质量并合在宇宙时空中塑造GSMF与GBMF（星系重子质量函数）的相对重要性。

提出的方法

• 本研究基于1.4 deg²的区域，采用zCOSMOS-bright 10,000光谱巡天中的8,500个星系，其选择标准为I波段星等（I < 22.5）及红移上限达到z ≈ 1。
• 星系类型通过多种独立标准分类：光谱能量分布（SED）、形态、光谱特征（如D_n4000）及恒星形成率（SFR）。
• 在红移与质量分箱中测量GSMF，并采用两个Schechter函数之和拟合，以描述早型与晚型星系的双峰分布。
• 量化不同红移下数量密度与质量密度的演化，重点关注中低质量（log(M/M☉) ~ 10.5）与高质量（log(M/M☉) > 11）星系群体。
• 通过比较红星系密度的增长与蓝星系密度的下降，估算星系演化速率，假设恒星形成抑制是主要驱动力。
• 通过GSMF中未解释的演化部分推断并合率，假设剩余增长源于并合事件，得出中位并合率为每星系每Gyr约0.16次（其中少于0.1次为大质量并合）。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系恒星质量函数（GSMF）在z ≈ 1以内的形态与演化特征为何？是更宜用单峰函数还是双峰函数描述？
• RQ2 早型与晚型星系的数量密度如何随红移演化？这对其形成 timescales 有何启示？
• RQ3 观测到的GSMF演化在多大程度上由渐进式恒星形成抑制驱动，而非主要并合事件？
• RQ4 星系形态演化（如螺旋星系向椭球星系转变）是否先于或后于颜色演化（即恒星形成抑制）？
• RQ5 观测到的演化速率与当前星系形成半解析模型（SAMs）的预测相比如何？

主要发现

• 全局GSMF表现出清晰的双峰形态，最佳拟合为两个Schechter函数——一个用于早型星系（ETGs），一个用于晚型星系（LTGs），证实了星系群体中存在根本性的二分特征。
• 中低质量星系（log(M/M☉) ~ 10.5）的数量密度从z = 1到z = 0增加了两倍，而高质量星系（log(M/M☉) > 11）的数量密度增加不足15%，表明存在质量依赖的演化。
• 中低质量GSMF的演化主要由恒星形成活动的渐进性下降驱动，而非主要并合事件；仅需每星系每Gyr约0.16次并合（其中少于0.1次为大质量）即可解释剩余演化。
• 中等质量ETGs的数量密度随宇宙时间显著增加（从z = 0.7到z = 0.2，log(M/M☉) = 10.3–10.7时增加约4–2倍），表明其形成历史为自顶向下，与分层SAM预测不一致。
• 蓝星系的颜色演化（即恒星形成抑制）比其形态演化为红椭球星系提前1–2 Gyr，表明形态变化主要由内部过程（如盘面不稳定性）驱动，且发生于恒星形成抑制之后。
• 星系重子质量函数（GBMF）在全球群体中演化可忽略，而中高质星系群体的GBMF随宇宙时间减少，与以平滑质量增长与恒星形成抑制为主导、而非大质量并合的演化情景一致。