CANDELS場(chǎng)中高紅移寧?kù)o星系的半徑—恒星質(zhì)量關(guān)系

佟薇 姜東飛

摘 要：星系的大小（如半光半徑）與其恒星質(zhì)量緊密相關(guān)。已有研究表明：在紅移z=0-3范圍內(nèi)，大質(zhì)量寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系隨紅移顯著演化，且其半徑隨恒星質(zhì)量增長(zhǎng)顯著增加。在本研究中，我們從CANDELS巡天的5個(gè)場(chǎng)中選取了一個(gè)紅移z=0.5-1.5的星系大樣本。我們利用UVJ雙色圖和比恒星形成率-恒星質(zhì)量關(guān)系，分別選取了寧?kù)o星系樣本，對(duì)寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量的關(guān)系重新進(jìn)行了研究。我們的研究結(jié)果表明：大質(zhì)量（M*>～2×1010 M☉）寧?kù)o星系具有很陡的半徑—恒星質(zhì)量關(guān)系，而小質(zhì)量（M*<～2×1010 M☉）寧?kù)o星系則具有相對(duì)扁平的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。這些研究結(jié)果說(shuō)明大質(zhì)量寧?kù)o星系的大小隨其恒星質(zhì)量增長(zhǎng)顯著增加，而小質(zhì)量的寧?kù)o星系大小隨其恒星質(zhì)量增長(zhǎng)演化緩慢。

關(guān)鍵詞：高紅移；寧?kù)o星系；半光半徑；恒星質(zhì)量

1 緒論

星系有諸多結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如星系的大小，恒星質(zhì)量，顏色，恒星形成率等。這些結(jié)構(gòu)參量彼此相關(guān)，其中大小（如半光半徑）與恒星質(zhì)量緊密相關(guān)。研究星系的半徑和恒星質(zhì)量關(guān)系有助于理解星系的演化。已有研究表明大質(zhì)量寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系通常比恒星形成星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系更陡，這說(shuō)明大質(zhì)量寧?kù)o星系的大小隨其恒星質(zhì)量增長(zhǎng)顯著增加。

在過(guò)去十幾年里，寧?kù)o星系（早型星系）的大小和恒星質(zhì)量的演化引起了人們的廣泛關(guān)注。Shen et al.（2003）基于斯隆數(shù)字化巡天的大樣本，首次詳細(xì)研究了近鄰早型星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。Cassata et al.（2011）的研究表明在紅移z=0-2.5范圍內(nèi)，寧?kù)o星系的半光半徑和數(shù)密度顯著演化。最近，van der Wel et al.（2014）基于3D-HST/CANDELS的大樣本，系統(tǒng)研究了寧?kù)o星系和恒星形成星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系在z=0-3范圍內(nèi)的演化。van der Wel et al.的研究結(jié)果表明：寧?kù)o星系的半徑——恒星質(zhì)量關(guān)系比與其相對(duì)應(yīng)的恒星形成星系的關(guān)系更陡，但寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系在小質(zhì)量端相比其在大質(zhì)量端有明顯偏離，但他們并沒(méi)有對(duì)此給出定量的描述。若小質(zhì)量寧?kù)o星系與大質(zhì)量寧?kù)o星系具有不同的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系，這將意味著高紅移小質(zhì)量寧?kù)o星系可能與大質(zhì)量寧?kù)o星系有著不同的演化歷史。鑒于此，在本研究中我們從CANDELS巡天的5個(gè)場(chǎng)中選取了紅移z=0.5-1.5的寧?kù)o星系樣本。我們利用UVJ雙色圖和比恒星形成率——恒星質(zhì)量的關(guān)系，分別選取寧?kù)o星系，以進(jìn)一步檢驗(yàn)高紅移（z～1）寧?kù)o星系的半徑——恒星質(zhì)量關(guān)系是否在小質(zhì)量和大質(zhì)量端明顯不同。

2 數(shù)據(jù)

本研究中使用的樣本星系的紅移來(lái)自光譜紅移或測(cè)光紅移，如果樣本星系具有可靠的光譜紅移，則光譜紅移被采用，否則其測(cè)光紅移被采用。靜止坐標(biāo)下的多波段（從遠(yuǎn)紫外到近紅外波段）積分星等通過(guò)EAZY程序擬合得到。星系的恒星質(zhì)量是利用多波段測(cè)光數(shù)據(jù)通過(guò)FAST程序擬合得到。星系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如半光半徑（RSMA）、短長(zhǎng)軸比（q=b/a）、方位角等，是利用GALFIT程序擬合F125W波段觀測(cè)圖像得到。在本研究中，我們按照van der Wel et al.（2014）的方法，利用公式（1）、（2）計(jì)算星系在靜止坐標(biāo)系下5000的半光半徑：

3 樣本選取

本研究的樣本選自CANDELS巡天所有5個(gè)場(chǎng)，選取標(biāo)準(zhǔn)如下：

在采用標(biāo)準(zhǔn)（1）-（5）后我們一共從CANDELS巡天選出了12224個(gè)星系。我們將樣本星系劃分為2個(gè)紅移區(qū)間，0.5

最終，我們?cè)?.5

圖1：樣本星系在兩個(gè)紅移區(qū)間內(nèi)的UVJ雙色圖，實(shí)線是星系形態(tài)分界線（Williams et al.2009）。分界線左上的陰影區(qū)域?yàn)閷庫(kù)o星系（QGs），其右下的區(qū)域?yàn)楹阈切纬尚窍担⊿FGs）。

然后，我們利用比恒星形成率-恒星質(zhì)量關(guān)系選取寧?kù)o星系。圖2給出樣本星系的比恒星形成率（sSFR）-恒星質(zhì)量關(guān)系。黑色實(shí)線為Fang et al.（2017）給出的最佳擬合的恒星形成星系的主序關(guān)系。我們把最佳擬合的主序關(guān)系向下平移1.2 dex（～4σ，圖2中綠色線），選取綠色線以下的星系為寧?kù)o星系。

圖2：樣本星系的比恒星形成率-恒星質(zhì)量關(guān)系。黑色實(shí)線是Fang et al.（2018）給出的最佳擬合的恒星形成星系的主序關(guān)系。綠色線是最佳擬合的主序關(guān)系下移1.2 dex，其用來(lái)選取寧?kù)o星系。紅色點(diǎn)表示寧?kù)o星系，藍(lán)色點(diǎn)表示恒星形成星系。

4 結(jié)果與分析

圖3給出根據(jù)UVJ雙色圖選取的寧?kù)o星系分別在兩個(gè)紅移區(qū)間（0.5～2×1010M⊙）顯然有不同的斜率。我們遵循van der Wel et al.（2014）的做法，對(duì)兩個(gè)紅移區(qū)間內(nèi)的大質(zhì)量星系的關(guān)系做線性擬合。擬合結(jié)果如下：在0.5

圖3：根據(jù)UVJ雙色圖選取的寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。紅色點(diǎn)表示寧?kù)o星系，小藍(lán)色點(diǎn)表示恒星形成星系。青色點(diǎn)表示寧?kù)o星系在不同質(zhì)量區(qū)間內(nèi)的中值。黑色實(shí)線是van der Wel et al.（2014）對(duì)大質(zhì)量寧?kù)o星系給出的最佳擬合關(guān)系。綠色實(shí)線是我們給出的最佳擬合關(guān)系。

此外，我們對(duì)紅移0.5

圖4給出根據(jù)比恒星形成率-恒星質(zhì)量關(guān)系選取的寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量分布。對(duì)大質(zhì)量寧?kù)o星系的分布的擬合結(jié)果如下：在0.5

圖4：根據(jù)比恒星形成率-恒星質(zhì)量關(guān)系選取的寧?kù)o星系的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。紅色點(diǎn)表示寧?kù)o星系，小藍(lán)色點(diǎn)表示恒星形成星系。青色點(diǎn)表示寧?kù)o星系在不同質(zhì)量區(qū)間內(nèi)的中值。黑色實(shí)線是van der Wel et al.（2014）對(duì)大質(zhì)量寧?kù)o星系給出的最佳擬合關(guān)系。綠色實(shí)線是我們給出的最佳擬合關(guān)系。

5 結(jié)論

我們從CANDELS巡天5個(gè)場(chǎng)中選取了紅移z=0.5-1.5的寧?kù)o星系樣本。我們分別利用UVJ雙色圖和比恒星形成率-恒星質(zhì)量關(guān)系選擇寧?kù)o星系，研究它們的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。我們的研究結(jié)果表明紅移z～1的大質(zhì)量（M*>2×1010M⊙）寧?kù)o星系具有較陡的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。但在小質(zhì)量端（M*<2×1010M⊙），寧?kù)o星系具有相對(duì)扁平的半徑-恒星質(zhì)量關(guān)系。這些結(jié)果說(shuō)明：大質(zhì)量的寧?kù)o星系的大小隨其恒星質(zhì)量增長(zhǎng)顯著增加，而小質(zhì)量的寧?kù)o星系的大小隨其恒星質(zhì)量增長(zhǎng)演化緩慢。

參考文獻(xiàn)：

[1]Cassata，P.，et al.The Relative Abundance of Compact and Normal Massive Early-type Galaxies and Its Evolution from Redshift z ～ 2 to the Present[J].The Astrophysical Journal，Volume 743，Issue 1，article id.96，12 pp.

[2]Fang，Jerome J.，et al.Demographics of Star-forming Galaxies since z ～ 2.5.I.The UVJ Diagram in CANDELS[J].The Astrophysical Journal，2018，Volume 858，Issue 2，article id.100，29 pp.

[3]Shen，Shiyin，et al.The size distribution of galaxies in the Sloan Digital Sky Survey[J].Monthly Notice of the Royal Astronomical Society，2003，Volume 343，Issue 3，pp.978-994.

[4]van der Wel，A.，et al.3D-HST+CANDELS：The Evolution of the Galaxy Size-Mass Distribution since z = 3[J].The Astrophysical Journal，2014，Volume 788，Issue 1，article id.28，19 pp.

[5]Williams，Rik J.，et al.Detection of Quiescent Galaxies in a Bicolor Sequence from Z = 0-2[J].The Astrophysical Journal，2009，Volume 691，Issue 2，pp.1879-1895.