大质量早型星系的结构演化：观测限制和理论解释

Recent observations show the dramatic evolution of the sizes of massive Early-Type galaxies (ETGs) : Massive passively evolving galaxies at redshifts z~2 exhibit on average physical sizes smaller, by factors ≈4, than local ETGs endowed with the same stellar mass. There are two important questions involving the formation and evolution of massive ETGs arisen :1) How did the small size of massive ETGs form at high redshift? 2) How did the compact, massive ETGs evolve to 'catch up' the local relation? Based on our previous work, we are going to investigate these questions from both observational constrains and theoretical model interpretation. We want to compile a large sample with a solid selection criterion at z<2-2.5 and analyze the physical properties with SED fitting method, such as MAGPHYS. And we can derive the dependences of sizes of massive ETGs on redshift, environment and galactic ages. These results will give a strong limit on the proposed theoretical interpretation. We also want to explore the unknown physical mechanisms contributing to the observed size evolution. Our main purpose is to understand the history of massive galaxy formation and evolution better according to our research.

观测显示，大质量早型星系的物理尺寸存在剧烈的演化： 与本地宇宙中具有同样质量的早型星系相比较，红移2处的对应星系的有效半径平均要小4倍。如何解释大质量早型星系剧烈的尺寸演化，是正确理解大质量星系形成与演化的重要部分。申请者准备在已有工作积累基础上，从观测限制和理论解释两方面同时入手，拓展对该课题的研究。一方面，编译一个红移z<2-2.5的较大早型星系样本，使用统一的SED拟合工具(如MAGPHYS)推测星系的物理成分，测量大质量早型星系尺寸随红移的演化，以及对环境，星系年龄的依赖关系，从而对理论解释提出较可信的观测限制；另一方面，我们尝试寻找新的可导致尺寸演化的机制（比如类星体的射电反馈模式、暗物质晕内部密度轮廓的演化），检验各种潜在机制的可信度以及估计对尺寸演化的贡献。我们的主要目的在于通过对大质量早型星系尺寸演化观测和理论两方面的研究，更好地理解大质量星系形成及演化的历史。

本项目围绕近年来发现的高红移大质量星系结构具有急剧演化这一研究热点，基于包含哈勃空间望远镜新一代近红外相机的高空间分辨成像的多波段深场巡天数据，提出了两个主要研究内容：一个是构建红移2-3以内的大质量早型星系样本，发展能谱拟合工具，研究其结构演化；另一个是通过新的样本数据对已有用于解释大质量早型星系剧烈结构演化的物理机制、模型提供检验和限制。按照计划书，我们首先利用哈勃望远镜新的近红外宽场相机(WFC3)的两个不同巡天项目（CLASH和CANDELS）数据，搜寻红移z~2和z~3处的大质量被动演化星系样本。我们把大质量早型星系的样本扩展到红移3以上。我们得出高红移大质量被动演化星系的相对半径近似反比于（1+z）。我们发现大质量早型星系的演化遵循从内而外情景，另外我们还发现高红移被动演化星系的相对半径分布的弥散随红移增加而增加。这些结果对大质量星系在高红移的形成和演化提供了观测检验。我们发展了一套谱能拟合工具，并对红移2处GOOD-MUSIC场中光谱红移选的星系样本进行分析。我们发现，传统的SED拟合方法只假设一种固定的尘埃消光模型，可能对大样本分析产生偏差。我们提出，在SED拟合过程中，红外光度应该被当作拟合参数进行合理的考虑，而对不同的星系类别采用不同的消光律。除此以外，我们还研究了红移z~2处的X射线选活动星系核宿主星系的结构和形态，通过与非活动星系比较样本的对比，发现X射线选活动星系核宿主星系的结构与形态与非活动星系类似，并不具有更显著比例的并合信号，这意味着主并合并不是X射线选活动星系核的触发主因。总之，该项目按计划完成了预定内容，在高红移星系结构形态方向上做出了一些较有特色的工作。