UV-selected星系的成团性研究和downsizing现象

标题:Keck Deep Fields. IV. Luminosity Dependent Clustering and Galaxy Downsizing in UV-Selected Galaxies at z=4, 3, and 2
作者:Jonathan Savoy, Marcin Sawicki, David Thompson, Taro Sato
论文索引:astro-ph:1106.2146
编辑供稿:侯磊(中国科学技术大学)

背景介绍

UV-selected galaxies:利用星系静止参考系下的UV特征来选择的一些高红移星系,如Lyman-break galaxies,BzK-selected galaxies,distant red galaxies,extremely red objects,sub-mm galaxies,Lyman-α emitters等;上述选择方法中除了Lyman-α emitters是利用谱线特征进行选择的之外,大部分方法都是通过多色测光对连续谱的颜色特征进行选择的;在地球参考系上进行不同波段的颜色选择条件,可以选择出不同红移处的星系(或者说候选者)。当然,对于不同的选择方法,选择出来的只是该红移处所有星系中的某一部分而已。

星系成团性:星系成团性一般是通过相关函数来研究的。定义两点相关函数(2-point correlation function,2PCF)如下:“如果粒子的平均数密度为n_0,则发现一对分别位于两个体积元dV_1dV_2内、距离为r的粒子的几率是dP=n_0^2[1+\xi(r)]dV_1 dV_2”(引自向守平、冯珑珑《宇宙大尺度结构的形成》一书)。其物理意义是,距离为r的星系对的数目与平均场中同样距离的星系对的数目的相对差别;反映了星系在r尺度上相关性(成团性)的大小。其等价的定义为\xi(r)=\xi(\mathbf{r})=\langle\delta(\mathbf{x}) \delta(\mathbf{x}+\mathbf{r})\rangle,其中\delta(\mathbf{x})表示\mathbf{x}处的密度涨落,尖括号代表全空间平均,黑体字母代表位置矢量,不加黑体的字母代表距离;第一个等号来自于宇宙学原理的要求。观测结果给出,不论是星系的2PCF还是星系团的2PCF,都可以用幂律形式表述:\xi(r)=(\frac{r_0}{r})^{\alpha};对于星系和星系团有大致相同的指数\alpha=1.8,但二者的r_0不同。上式说明星系(团)在小尺度上的关联性更强。在二维天球面上,按照同样的方法可以定义角相关函数(angle correlation function)\omega(\theta)

downsizing:观测发现,大质量星系在较高红移处恒星形成率较高,而小质量星系在低红移处恒星形成率较高,此即downsizing现象。本文则把这种现象从星系推及暗物质晕来讨论,即“居住在大质量中星系在较高红移处恒星形成率较高,而居住在小质量暗晕的星系在低红移处恒星形成率较高”。

之前的研究成果已经表明:1、大质量暗晕的成团性更强(莫厚俊和Simon White 1996年的理论工作);2、较高红移处,亮星系的成团性更强;3、低红移处,SFR和成团性没有强的关联。这些结果暗示我们,高红移处暗晕质量和星系SFR有比较好的关联,而这种关联在低红移处消失了。这可以用本文作者想要讨论的downsizing现象来解释。为了更好地研究这个问题,需要比较多个红移处的观测结果,同时需要较暗的星系观测结果,本文就是通过Keck Deep Filed来实现这一点的。

 

主要结果

本文利用Keck Deep Field分别利用LBG、BX、BM颜色条件选择出z~4、3、2.2和1.7处的星系计算2PCF。下图给出了静止参考系下1700Å光度与2PCF的特征尺度r_0的关系,其中1700Å光度用来表征SFR的大小;之所以采用这个波长的原因是,选用合适的滤波片的情况下,该波长处的K改正最小。图中可以看出,z~4和3时SFR和成团性有很好的相关性,SFR越高时星系成团性越强(r_0越大),但z~2.2时这种相关性消失了,而在z~1.7时甚至出现了明显的负相关。这正反映了downsizing现象:已知大质量暗晕的成团性高,则图中给出,高红移时大质量暗晕的SFR高,而z~2.2时最高的SFR已经不产生在最大质量的暗晕,z~1.7时则是小质量暗晕的SFR高。

图1:不同红移处星系光度与成团性的关系

下图是不同红移处不同颜色范围的星系的成团性关系。横坐标表示颜色范围蓝于某值,蓝色和红色符号是计算相关函数的时候采用不同的拟合方法得到的结果。对于最后一幅图,空心符号给出的是最暗的星系中红于某值的结果。可以看出,前三处红移均有蓝星系成团性更好的结果,且z~2.2处的关系更强;但z~1.7时没有明显的颜色-成团性关系,而如果取最暗的星系,则红星系的成团性更好。

图2:不同颜色的星系的成团性

下图给出了上述颜色-成团性关系的一个解释。年老的星族可以产生尘埃,进而表现出所谓“2175Å bump”的一个吸收峰;或者说2175Å bump是大质量暗晕的一个表征。对于高红移处,观测样本中大部分都是居住在大质量暗晕,蓝星系对应较高的SFR,从而对应大质量暗晕,即成团性更好;对于z~2.2处,恒星形成已经开始从大质量暗晕向小质量暗晕转移,而该红移处2175Å bump刚好落到R波段,由于该波段采用G-R颜色选择,所以大质量暗晕中的星系2175Å bump强,颜色更蓝,从而2175Å bump的存在使得z~2.2处颜色-成团性关系更强;对于z~1.1处,样本中的大部分星系均居住在小质量暗晕中,2175Å bump不明显,因此颜色-成团性关系不强甚至相反。

图3:2175Å bump对观测结果的影响

文中还利用了Millennium Simulation基础上的半解析模型,计算得到不同质量暗晕的2PCF,与观测的不同光度的2PCF对比,从而对不同UV光度的星系给出估计的暗晕质量。下面给出模拟与观测的暗晕质量-SFR关系对比图。对于右边的作过尘埃修正的结果,我们可以看出:1、观测结果中,z~4和3处暗晕质量与SFR正相关,z~2.2时最大SFR已经不产生在最大的暗晕中,z~1.7时暗晕质量与SFR反相关,这进一步印证了前面的观点;2、观测结果和模拟结果在z~4和3时符合的很好,但在z~2.2和z~1.7时已经不符合,这说明z~2左右实际的星系演化出现了模拟所没有的过程。结合上述事实,作者论述z~2时大质量暗晕中恒星形成开始停止,小质量暗晕中恒星开始形成;z~2是恒星形成从大质量暗晕向小质量暗晕转移的时期。

总结

本文中星系成团性与downsizing现象的研究结果,说明相对于暗晕演化这种已经有比较好的理论和观测基础的过程而言,星系形成演化是一个十分复杂的过程,可能受到很多具体因素的影响。如何很好的解释downsizing现象中大质量暗晕中恒星形成停止(quenching)的过程?虽然大家正在对quenching尝试建立各种模型,但目前这还是一个open question。

扩展阅读

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4 Replies to “UV-selected星系的成团性研究和downsizing现象”

  1. Tao Wang

    Firefox 3.6.3 MacIntosh

    用UV-selected星系延伸到SFR和暗晕的成团性之间的关系,还是很值得商榷的。本文的结论更像是一种选择效应,因为我们知道z=2处是其实是有很多具有很高SFR的大质量星系的(SMG, DOG,BzK,DRG),但这些星系大部分(尤其是在高质量端)都是UV/optical faint的星系。就是说在这个红移处,UV-selected的星系里面没有大质量星系并不代表没有高SFR的大质量星系,其实是有的,而且SFR比uv-selected的星系要高很多,只不过大部分是dusty星系。

    • Lei Hou

      Firefox 4.0 Linux

      瑛姐威武,至少这是arxiv文章介绍里第一篇没有延伸阅读的吧……我不清楚给什么好,给的不好还不如不给。如果有合适的可以补充哈

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