CANDELS场中高红移宁静星系的半径—恒星质量关系

佟薇 姜东飞

摘 要：星系的大小（如半光半径）与其恒星质量紧密相关。已有研究表明：在红移z=0-3范围内，大质量宁静星系的半径-恒星质量关系随红移显著演化，且其半径随恒星质量增长显著增加。在本研究中，我们从CANDELS巡天的5个场中选取了一个红移z=0.5-1.5的星系大样本。我们利用UVJ双色图和比恒星形成率-恒星质量关系，分别选取了宁静星系样本，对宁静星系的半径-恒星质量的关系重新进行了研究。我们的研究结果表明：大质量（M*>～2×1010 M☉）宁静星系具有很陡的半径—恒星质量关系，而小质量（M*<～2×1010 M☉）宁静星系则具有相对扁平的半径-恒星质量关系。这些研究结果说明大质量宁静星系的大小随其恒星质量增长显著增加，而小质量的宁静星系大小随其恒星质量增长演化缓慢。

关键词：高红移；宁静星系；半光半径；恒星质量

1 緒论

星系有诸多结构性质，如星系的大小，恒星质量，颜色，恒星形成率等。这些结构参量彼此相关，其中大小（如半光半径）与恒星质量紧密相关。研究星系的半径和恒星质量关系有助于理解星系的演化。已有研究表明大质量宁静星系的半径-恒星质量关系通常比恒星形成星系的半径-恒星质量关系更陡，这说明大质量宁静星系的大小随其恒星质量增长显著增加。

在过去十几年里，宁静星系（早型星系）的大小和恒星质量的演化引起了人们的广泛关注。Shen et al.（2003）基于斯隆数字化巡天的大样本，首次详细研究了近邻早型星系的半径-恒星质量关系。Cassata et al.（2011）的研究表明在红移z=0-2.5范围内，宁静星系的半光半径和数密度显著演化。最近，van der Wel et al.（2014）基于3D-HST/CANDELS的大样本，系统研究了宁静星系和恒星形成星系的半径-恒星质量关系在z=0-3范围内的演化。van der Wel et al.的研究结果表明：宁静星系的半径——恒星质量关系比与其相对应的恒星形成星系的关系更陡，但宁静星系的半径-恒星质量关系在小质量端相比其在大质量端有明显偏离，但他们并没有对此给出定量的描述。若小质量宁静星系与大质量宁静星系具有不同的半径-恒星质量关系，这将意味着高红移小质量宁静星系可能与大质量宁静星系有着不同的演化历史。鉴于此，在本研究中我们从CANDELS巡天的5个场中选取了红移z=0.5-1.5的宁静星系样本。我们利用UVJ双色图和比恒星形成率——恒星质量的关系，分别选取宁静星系，以进一步检验高红移（z～1）宁静星系的半径——恒星质量关系是否在小质量和大质量端明显不同。

2 数据

本研究中使用的样本星系的红移来自光谱红移或测光红移，如果样本星系具有可靠的光谱红移，则光谱红移被采用，否则其测光红移被采用。静止坐标下的多波段（从远紫外到近红外波段）积分星等通过EAZY程序拟合得到。星系的恒星质量是利用多波段测光数据通过FAST程序拟合得到。星系的结构参数，如半光半径（RSMA）、短长轴比（q=b/a）、方位角等，是利用GALFIT程序拟合F125W波段观测图像得到。在本研究中，我们按照van der Wel et al.（2014）的方法，利用公式（1）、（2）计算星系在静止坐标系下5000的半光半径：

3 样本选取

本研究的样本选自CANDELS巡天所有5个场，选取标准如下：

在采用标准（1）-（5）后我们一共从CANDELS巡天选出了12224个星系。我们将样本星系划分为2个红移区间，0.5

最终，我们在0.5

图1：样本星系在两个红移区间内的UVJ双色图，实线是星系形态分界线（Williams et al.2009）。分界线左上的阴影区域为宁静星系（QGs），其右下的区域为恒星形成星系（SFGs）。

然后，我们利用比恒星形成率-恒星质量关系选取宁静星系。图2给出样本星系的比恒星形成率（sSFR）-恒星质量关系。黑色实线为Fang et al.（2017）给出的最佳拟合的恒星形成星系的主序关系。我们把最佳拟合的主序关系向下平移1.2 dex（～4σ，图2中绿色线），选取绿色线以下的星系为宁静星系。

图2：样本星系的比恒星形成率-恒星质量关系。黑色实线是Fang et al.（2018）给出的最佳拟合的恒星形成星系的主序关系。绿色线是最佳拟合的主序关系下移1.2 dex，其用来选取宁静星系。红色点表示宁静星系，蓝色点表示恒星形成星系。

4 结果与分析

图3给出根据UVJ双色图选取的宁静星系分别在两个红移区间（0.5～2×1010M⊙）显然有不同的斜率。我们遵循van der Wel et al.（2014）的做法，对两个红移区间内的大质量星系的关系做线性拟合。拟合结果如下：在0.5

图3：根据UVJ双色图选取的宁静星系的半径-恒星质量关系。红色点表示宁静星系，小蓝色点表示恒星形成星系。青色点表示宁静星系在不同质量区间内的中值。黑色实线是van der Wel et al.（2014）对大质量宁静星系给出的最佳拟合关系。绿色实线是我们给出的最佳拟合关系。

此外，我们对红移0.5

图4给出根据比恒星形成率-恒星质量关系选取的宁静星系的半径-恒星质量分布。对大质量宁静星系的分布的拟合结果如下：在0.5

图4：根据比恒星形成率-恒星质量关系选取的宁静星系的半径-恒星质量关系。红色点表示宁静星系，小蓝色点表示恒星形成星系。青色点表示宁静星系在不同质量区间内的中值。黑色实线是van der Wel et al.（2014）对大质量宁静星系给出的最佳拟合关系。绿色实线是我们给出的最佳拟合关系。

5 结论

我們从CANDELS巡天5个场中选取了红移z=0.5-1.5的宁静星系样本。我们分别利用UVJ双色图和比恒星形成率-恒星质量关系选择宁静星系，研究它们的半径-恒星质量关系。我们的研究结果表明红移z～1的大质量（M*>2×1010M⊙）宁静星系具有较陡的半径-恒星质量关系。但在小质量端（M*<2×1010M⊙），宁静星系具有相对扁平的半径-恒星质量关系。这些结果说明：大质量的宁静星系的大小随其恒星质量增长显著增加，而小质量的宁静星系的大小随其恒星质量增长演化缓慢。

参考文献：

[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.