Astroph更新

[z=1.80大质量致密星系的速度弥散与质量-尺寸关系的演化]

(本文为AstroLeaks试稿第14篇,感谢Arizona大学边福彦学长的投稿,原标题为:”利用X-shooter测量z=1.80大质量致密星系中的恒星的速度弥散-证实质量-尺寸关系的演化”,因版面需要做了些删减;欢迎就文章形式,难度,排版等各种问题发表您的意见!)

标题: A stellar velocity dispersion of a compact massive galaxy at z=1.80 using X-Shooter: confirmation of the evolution in the mass-size relation
作者: Jesse van de Sande, Mariska Kriek, Marijn Franx, Pieter G. van Dokkum, Rachel Bezanson, Katherine E. Whitaker, Gabriel Brammer, Ivo Labbé, Paul J. Groot, Lex Kaper
论文索引: astro-ph:1104.3860
编辑供稿: 边福彦 ( University of Arizona )

背景介绍:

最近10-15年以来,随着以凯克(Keck)为代表的8-10m望远镜的不断的发展,天文学家探索宇宙的触角开始从近邻宇宙已经延伸到了高红移宇宙。其中大量的工作集中在了红移1-3之间,因为这段时期宇宙的恒星形成率密度(见延伸阅读1)和高光度类星体的活动达到了顶峰,哈勃序列正在形成,超过50%的恒星质量是在这个时候形成的。对这一时期的宇宙的观测对星系的形成和演化理论有很重要的限制,也让我们对星系本身有了崭新的认识。

主要目的:

这篇文章就介绍了对一类高红移星系的所开展的工作。这类高红移星系被称作(quiescent galaxy)宁静星系,他们在近邻宇宙中的对应体就是椭圆星系,最近几年比较时髦的叫法叫红序列(red sequence)星系。之所以叫它们宁静星系是以为它们的恒星形成率很低,它们的质量很大,一般超过10^11太阳质量。令人困惑的是,按照等级成团理论这些星系应该在宇宙的晚期才能形成,不应该存在在早期宇宙中。进一步的观测发现这类的星系的尺寸都很小,有些星系的有效半径甚至都要小于一个1kpc,这要远远小于同质量的低红移的红序列星系。这就意味这些星系不符合在近邻宇宙中在红序列星系中建立起来的质量-尺寸关系(见延伸阅读2)。然而在得出最终的结论之前,有以下的因素要考虑:首先在尺寸的测量上,因为星系的表面亮度是和(1+z)^4成反比的,随着红移的增加,星系的表面亮度会急剧的降低 (这也是为什么观测高红移星系很困难的一个重要原因),有可能使我们观测不到星系的较暗的外围部分,造成测量的尺寸偏小,最近人们利用图像叠加(Image Stacking)的方法,以及利用最新的WFC3的更深的观测已经排除了尺寸测量偏小的可能性;其次,我们要考虑的是我们测量的星系质量是否准确。这些高红移的星系是利用宽带测光的数据去拟合演化星族合成模型(SPS model, 例如著名的BC03模型),而这种方法会带来很大的系统误差,比如假设不同的恒星初始质量函数(IMF)就会带来至少两倍的不同(比如目前两种流行的两种IMF,用Salpter IMF估算的质量是用Chabrier IMF估算质量的1.8倍)。另外用不同的金属丰度的模型对最终得到的质量也有影响。因此,这里作者利用动力学的方法去解决这一问题。

观测方法:

这里作者选取了NEWFIRM中带巡天中最亮的星系中的一个,NMBS-C7296。(NIRFIRM美国天文学界唯一的一个大视场巡天红外照相机,现在在CTIO4m Blanco望远镜上,前几年在Kitt Peak4m Mayall上)(编者补充,目前Magellan上的大视场红外照相机 FourStar已经开始使用,这算是第二个吧)。这个星系的K波段的星等是19.64等。利用VLTX-Shooter,欧南台的第一个VLT第二代仪器,对其进行了光谱观测。X-shooter可以把光分成,紫外,光学,和近红外三个部分,并送入不同的终端,这样可以使仪器同时获得从3000埃到2.5微米的光谱,并且在每个波段都获得较高的探测效率。作者利用X-shooter对这个星系进行了两个小时的曝光,获得了高信噪比的光谱(图1)。


fig1

Fig.1: NMBS-C7296的X-shooter光谱,蓝色的点是宽带和中带测光的数据,红色的线是最佳拟合的模型。

主要结论:

作者首先利用宽带以及中带测光与SPS模型进行拟合得到了星系的恒星质量1.5\pm10^11M_{\odot}。接着用GALFIT对HST-WFC3 F1600W (近似于H波段)图形进行了拟合得到了有效的半径为1.64\pm0.15 kpc。然后用pPXF(Penalized Pixel-Fitting method)的方法对光谱进行了拟合,得到恒星的速度弥散284\pm51 km/s。通过这一速度弥散,作者估算了这一星系的动力学质量为1.7\pm0.5\times10^11M_{\odot}。这一结果和前面用宽带测光拟合SPS模型的方法的结果相符合。相比较在近邻宇宙利用SDSS得到的星系质量和尺寸关系(图2),对于同等质量的星系,这个星系的等效半径要小2.5倍,星系的速度弥散要高1.8倍。结合其他前人观测的不同红移处的星系样本,星系的有效半径和恒星弥散的随红移的观测被拟合出来(图3)。


fig2

Fig.2: 低红移宁静星系(灰度)的质量尺寸(左)和质量速度弥散(右)关系,以及NMBS-C7296在这两个关系中的位置。黄色的点是Newman et al 2010 z~1.3的样本。蓝,红,绿点分别来自(Van Dokkum et al. 2009, Cappellan et al. 2009, Onodera et al. 2010)

不难发现星系在红移高于1.5处,等效半径和速度弥散跟拟合的关系相比显示出很大的弥散,这有可能是测量误差的结果,也可能是星系自身的原因造成的。图3c中的虚线是通过维里定中的虚线是通过维里定理得到的理论上速度弥散和有效半径的关系,这三个星系符合这个关系符合的很好,另外这三个点也符合用SDSS星系得到的的2sigma误差范围之内,由此作者得出星系的半径和速度弥散高红移处的弥散是由星系自身的结构引起的而非来自测量误差。当然只有几个星系的测量很难给出一个明确的结论,比如高红移的质量和尺寸关系到底是什么样子的,我们需要能多的类似观测。


fig3

Fig.3: 星系的尺寸(a)和速度弥散(b)随星系的红移的演关系,已经发现高红移星系(z>1.5)中的蓝点和绿点偏离这个关系的情况,以及低红移星系的1sigma和2sigma离散。

延伸阅读:

  • 1. 恒星形成率密度演化的一个简单报告总结
  • 2. 关于星系质量-尺寸关系
  • 3. Charlie Conroy 关于演化星族拟合方法的简单总结
  • 4. 关于从光谱观测得到椭圆星系的动力学质量
  • 5. 关于宁静星系或椭球状星系(Spheroidal Galaxy的质量-尺度关系),可参考近期如下工作:Trujillo et al. 2004; McIntosh et al. 2005; Trujillo et al. 2006a, 2007; Buitrago et al. 2008; Ferreras et al. 2009b; Saracco et al. 2011
  • 6. 关于近期在z~1处发现的大质量Compact早型星系,请进一步参考:Ferguson et al. 2004; Trujillo et al. 2004, 2007; Longhetti et al. 2007; Toft et al. 2007; Zirm et al. 2007; van derWel et al. 2008; van Dokkum et al. 2008; Cimatti et al. 2008; Buitrago et al. 2008; Damjanov et al. 2009; Mancini et al. 2010; Ryan et al. 2010
  • 7. 宇宙演化历史中的大质量星系(会议,报告可以下载)
  • Advertisements

    About astroleaks

    blog for Chinese astronomy and astrophysics students to share their interest, idea and experience.

    讨论

    6 thoughts on “[z=1.80大质量致密星系的速度弥散与质量-尺寸关系的演化]

    1. “对于同等质量的星系,这个星系的等效半径要小2.5倍,星系的速度弥散要小1.8倍”
      应该是大1.8倍吧
      we find that the velocity dispersion at
      fixed dynamicalmass was a factor of ∼1.8 higher at z=1.8 compared to z=0.

      Posted by lee | 四月 27, 2011, 3:21 下午
    2. 首先大赞文章,深入浅出,很sharp
      有个问题,高红移这种quiescent galaxy 的表面亮度的sersic index跟底红移的比是否一样?

      还有一个外行SB问题,星系的质量是SED拟和出来结果,还是有一个什么像恒星形成率一样有简单的conversion factor ? 从物理上到底是怎么通过光谱算出来的?

      Posted by Zheng Cai | 四月 27, 2011, 12:20 下午
      • 1.这些星系的sersic index也是比较高,你可以参考van dokkum et al. 2008.

        2. 因为这里面你只知道光度,本质上你只要知道质光比就可以知道星系的质量。用SED模型去拟和宽带测光,就可以的到星系的恒星行程历史和年龄,然后你就知道基于这种SED模型的质光比了。

        Posted by 边福彦 | 四月 27, 2011, 2:37 下午
    3. 前两天看见这篇文章的时候就觉得有意思,不过当时没细读,只是浏览了一下图和结论。顶一下边师兄的解读。

      Posted by Hou, Lei | 四月 27, 2011, 10:00 上午
    4. 这篇工作真的很有意思,尤其是X-Shooter的观测能力,很让人赞叹!

      关于文中几个星系分类的概念:

      1. 早型星系 v.s 晚型星系: 这个是纯按照形态来说的,按照Hubble最初的分类,处于Hubble音叉图左端的为早型;右侧的为晚型,这个叫法源于Hubble对星系演化的一个错误猜测,和早型晚型恒星的叫法一样,纯属于历史遗留习惯;而且,对不同的人,有不同的意义,一般认为,E+S0+Sa属于早型星系,这个完全是按照核球光度比重来说的,不过今年对S0星系的新认识让我们需要重新考虑这个定义。

      2. Spheroidal v.s Disk Dominated system: 这个其实可以简单看成比较新的形态区分,Spheroidal指的是椭圆星系或者是核球部分,这种分类完全看的是星系的核盘比,S0星系中大核盘比的属于Spheroidal,而小的属于Disk Dom. 在很多巡天工作中,使用一些简单的一元分类,比如单成分拟合的Sersic指数,星系的Concentration Index(5*log(R80/R20))来区分这两种概念,虽不严谨,但比较实用。

      3. Active v.s Quiescent: 活动 v.s 宁静,这个说法其实不是很严格,前者的活动一般既包括了活跃的恒星形成,也包括了核心的SMBH的活动,比较混杂,所以经常看到的是后者:Quiescent,在文章中单独使用,有时也和被动演化星系(Passive Galaxies)作为近义词,指代那些没有显著的恒星形成和核活动的,星族演化基本符合被动演化模型的星系

      4. Red Sequence & Blue Cloud & ( Green Valley ): 这个完全是按照星系观测中的颜色星等图上的颜色双态分布来区分的(Baldry et al. 2004, Based on SDSS),因为分类简单,且包含了可能的星系演化的信息,近年来十分流行(参考文中的Wiki链接),几乎所有的半解析模型和模拟工作都以重现大规模巡天中的颜色星等分布为基本要求。值得一提的是,这种区分方法应当考虑到星系本身消光或者说尘埃遮挡的影响.

      这些星系分类的方法是从各自不同的角度出发,以二分法为基本哲学考虑的,虽然效率很高,但有时候也会带来混淆和误解;比如早型星系不一定就是宁静星系;red sequence星系中也并非没有恒星形成和核活动,等等,注意在一定的限制和背景下理解

      Posted by astroleaks | 四月 27, 2011, 9:33 上午

    发表评论

    Please log in using one of these methods to post your comment:

    WordPress.com Logo

    You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

    Twitter picture

    You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

    Facebook photo

    You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

    Google+ photo

    You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

    Connecting to %s

    %d 博主赞过: