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Cappellari2026EarlyTypeGalaxiesElliptical

Brief #

  • 从 dynamics 的角度分析了 ETG 的性质，解决了观测上对 ETG 的分类和性质研究容易受到 inclination 影响的问题，对应的观测手段主要是 IFS
  • 通过将 ETG 分为 slow/fast rotator，用一个 2x2 grid 取代了 Hubble fork diagram，这个新的 picture 展示在 fig16/18 中
    • fast rotator 和 spiral galaxy 的区别仅在于是否有 SF 活动
    • 这个用 comb 取代 fork 的 picture 传达得很成功
  • slow/fast rotator 分别起源于高/低密度 peak，完整的理论框架可以参考 chap6，简单来说就是有序 SF 形成一个 disk，无序的 SF 形成一个 bulge/ellipsoid
  • 最后 chap3/4 里面还有一些细节没有完全理解，不过大体的 picture 已经很清晰了

Intro #

  • 1924 Hubble 首次确认 galaxy 是 MW 之外的独立天体
  • 在 hierarchical growth 的框架下，ETG 作为高质量星系的普遍存在形式，对应于星系演化的最终产物，并且蕴含了星系形成和组装过程的完整信息

Photometric properties #

  • Hubble tuning fork diagram 左边和右边分别对应 ETG 和 spiral galaxy，前者包括 E 和 S0
    • E 还可以分为 boxy/disky 两种 sub series，boxy 是最纯粹的 ETG
      • 根据精确到一位的椭率分为 E0（圆形星系）到 E7
    • S0 指的是没有旋臂但是有 bulge 和 disk 的星系（椭率大于 E7），是 ETG/spiral 之间的过渡类型
      • 其实更适合作为第三个分支，因为 bulge fraction 范围和典型的 spiral 类似，但是分类会严重依赖观测的 inclination
    • spiral galaxy 根据是否包括 bar 分为 S 和 SB，向更加 disky 的方向星系核球更小、旋臂更加松散/relax
  • 早期认为 ETG 的光度分布正比于 $R^{1/4}$（对应于 Sérsic index 为 4），但是后续发现 general Sérsic model 更适用于描述 light profile
    • n=1 和 n=4 分别用来描述 disk 和 ETG 的光度分布
    • n -> infty 的时候 Sérsic 变为 -2 的恒定指数分布，而在一般情况下所有 Sérsic 分布会在 1.19Re 具有和 -2 指数分布相同的斜率
    • fig2b 说明更亮的星系具有更高的 Sérsic index，也就是更多的光分布在中心区域和外围
      • 相比之下低 Sérsic 分布对应于光分布在 Re 附近的情况，尤其是 n=0.5 大致对应一个 Re 之内平均分布、Re 之外迅速截断的分布
  • HST 的观测发现部分大质量星系（具有 core）中心的 profile 是比较平坦的，说明星系分为带有和不带有 core 两种类型
    • fig3 展示了有核和无核两个星系的对比，实线是 core-Sérsic 的拟合结果
  • ETG 的 isophote 并不是完美的椭圆，而是可以从 boxy/disky 两个方向偏离，disky feature 可能是由 ETG 内部的 disk 产生的
    • boxy 一般转动较慢、比较明亮、具有核心；disky 反之
    • boxy/disky 的分类同样受到 inclination 的影响，比如一个 edge-on galaxy 即使是 disky 的也无法分辨

Kinematics and dynamics #

  • IFS 可以得到 ETG 的运动学信息，从而将其分为五类
    • 无转动，恒星运动几乎全部是随机弥散
    • 复杂转动，没有明确的转动主轴
    • Kinematically-decoupled core 仅在星系中心区域有比较规则的转动，外部区域运动比较混乱
    • counter rotating disks 具有两个相同平面但是方向相反的转动盘
    • disk-like rotation 具有类似一个薄盘的规则的旋转结构，运动学主轴和测光的 major axis 一致
  • fig4 给出了五种星系的 example，前三种称为 no disk，后两种称为 stellar disk
  • 测光 PA 和动力学 PA 之间的错位角度（misalignment angle）是一个关键的参数，因为比较小的错位角可能暗示星系本身是轴对称的（这里指的是 a=b>c？），否则说明星系是 tri-axial 的
    • 快转 ETG 基本都有一个很小的错位角（fig5），而慢转 ETG 基本都是 tri-axial 的
    • fig6 展示了不同类型 ETG 的椭率和错位角分布，除了主要结论之外还有一个 trend 是慢转 ETG 的椭率一般较小
  • 观测上仅能观测到六维相空间中的三维（二维位置以及视线方向速度），主要的重建恒星动力学分布的办法包括 Jeans 建模、轨道叠加、made-to-measure（调整一个 simulation 直到和观测相符）
    • JAM (Jeans Anisotropic Modelling) 是一种 Jeans method 的推广形式，可以用 inclination 和 anisotropy 两个参数描述 ETG 的运动学状态，fig7 展示了 JAM 对 data 的复现
    • fig8 展示了 JAM 对 MaNGA 星系的测量结果，y-axis 是采用 cylinder/sphere 方式对 anisotropy 的度量，而 x-axis 是内禀 ellipticity
    • fig9 的 kappa 代表旋转特征的显著程度，可以看到 kappa 的分布是 bimodal 的，其中快转 ETG 的分布和 disk 很相似
      • bimodality 说明两类星系本质上是完全不同的
    • fig10 是轨道合成模型的结果，慢转星系在中心存在显著的切向各向异性，可能来源于双黑洞系统对中心区域恒星的引力作用
  • 动力学可以很好地测定 ETG 的密度 profile：观测表明具有较大速度弥散的星系的密度 profile 大致遵循指数 -2 的幂律，和 isothermal sphere model 给出的理论预测非常符合
    • fig11a 给出了幂律 index 和速度弥散的关系，在速度弥散大于 160 的时候 index 大致稳定在 -2.2 左右
      • 通过比较恒星和总体密度分布的幂律指数也可以大致得到对于 DM fraction 的估计
      • 11b 展示的是 Re 之内的 DM fraction 随着速度弥散的变化关系（DM fraction 在高速度弥散星系中较低），一个比较简单的结论是 ETG 的中心区域是重子主导的
  • 通过比角动量（specific AM）可以实现 inclination 无关的对有序旋转运动和随机运动的相对比例的度量，相比 V/sigma 表现更好
    • fig12a 展示了描述 ETG 动力学的 specific AM - ellipticity plane
      • 慢转、快转以及 spiral galaxy 的颜色分别是红色、蓝色、绿色
      • 慢转星系的 specific AM 一般不超过 0.2
    • fig12b 也展示了两种 population 的 bimodal distribution

Scaling relationships #

  • ETG 最著名的 scaling relationship 就是 fundamental plane，也就是 ETG 在光度、半径、速度弥散的空间中大致分布在单个平面上
    • 假设 ETG 具有相同的 M/L 并且是 self similar 的，由 virial 定理给出的 fundamental plane 的预测应该是 $L\propto \sigma^2 R$ 的形式，但是观测到的 FP 并不是这样的形式，这称作 FP tilt
  • 动力学方法可以给出不依赖于 M/L 的质量估计，这样给出的结果几乎完全符合 virial 的预测而且具有很小的 scatter，说明之前的 tilt 问题完全由 M/L 的偏差导致
  • JAM 或者轨道合成方法是相比 virial mass 更好的质量描述方法，但是用 luminosity 和 effective radius 给出星系性质的度量仍然是一种流行的方法
    • 这里给出了一个计算 virial mass 中的经验性参数 $k_\mathrm{vir}$ 的公式，依赖于 Sérsic index
  • fig15 展示了星系在 mass-size plane 上的分布，六个子图分别表示：速度弥散、密度 prodile index、specific AM、恒星年龄、金属丰度、动力学 M/L
    • 核心的 insight 是：ETG（这里主要指的是快转）的最本质参数是速度弥散，而不是 mass/size，星系的各种性质基本都是沿垂直于速度弥散梯度的方向显著变化的
  • fig16 是同样 plane 的卡通化表示，三个 mass threshold 分别表示 ETG 开始出现、mass-size relation 的斜率发生变化（星系的致密程度开始降低）、ETG 开始占据 population 的主导
    • 在高质量端星系的增长方式主要变为大量的 dry merger，作为对低质量端气体吸积和 minor merger 的替代
  • fig17 展示了速度弥散和年龄/金属丰度的关系
    • 速度弥散超过 200 的星系基本都具有稳定和类似的性质，也即年老和高金属丰度的性质
  • fig18 实际上为星系性质的分布增加了一个维度，传统的 elliptical/spiral 分类方法其实只是这里的 2x2 网格在 y-axis 方向上的投影
    • bulge fraction 或者 specific AM 说明的是恒星运动以何种方式存在
    • spiral arm 的显著程度说明的是 SF 的剧烈程度
    • fast rotator galaxy 从 B/T 或者 B/D 来看就是 SF 停止的 spiral galaxy
    • 但是其实具有 SF/arm 并且随机运动占主导的那个 corner 是不存在的？
    • 所以其实 spiral 星系是否有 bar 不是很关键的性质？

Environmental dependency #

  • 一个基本的观测事实是在高密度区域星系 population 由 ETG 主导，在低密度区域（field）由 spiral galaxy 主导，一般解释为高密度区域的 ram pressure stripping 以及 harassment 使得星系失去气体的结果
  • 在这里的新的分类方法下，真正的椭圆星系（slow rotator）仅存在于最高密度的区域，而在 field 区域几乎不存在
  • SAMI/MaNGA 早期得到的结果是：如果控制 stellar mass 固定，则 ETG 的运动学特性和环境无关
    • 这里认为真正的逻辑链条是环境会同时导致「星系的质量增长」以及「运动学特性向随机运动转变」（fig19 提供了一些证据），控制前者的话后者也会受影响
  • fig20 展示了一些 cluster 中 slow rotator 的分布，无论是单个核心还是多个核心，slow rotator 都分布在核心处

A tale of two paths #

  • slow/fast rotator 实际上遵循两条完全不相交的演化路径
  • slow 星系起源于最大的 DM halo（或者早期宇宙的最高密度的 peak）中
    • 早期以极高的效率吸积气体并且进行 star burst
      • 由于气体吸积非常剧烈，disk instability 导致不能形成一个稳定有序的 SF disk
      • 随后导致星际环境的化学增丰：type-II SNe 释放 alpha 元素
    • 之后因为 SNe/AGN feedback 恒星形成活动停止
    • 星系的后续质量增长主要依靠大量的 dry merger，也就是贫气体星系之间的并合，这种 merger 会导致
      • 星系外围具有一个巨大、弥散的 stellar mass（同时也具有一个很大的 Sérsic index）
      • 由于只是恒星集合的线性叠加，星系性质（年龄、金属丰度）基本保持不变
      • 中心的双黑洞系统将恒星甩出中心区域，从而导致中心存在一个 core，或者说中心区域比 Sérsic 的预期更暗
  • fast 星系来源于 spiral/disk 星系，形成于低密度 peak/halo 中
    • 气体的流入和坍缩比较有序，所以形成了保持了角动量的恒星/气体盘
    • wet/gas-rich merger、中心 SMBH 的增长都会导致 disk galaxy 中 bulge 的出现和增长
    • 如果星系因为某种原因 quench，就会从 disk 变为 fast rotator 或者说 S0 星系
      • quench 机制可以包括质量/环境两方面的因素

Prospect #

  • 如果能够获得高红移的 IFS 数据（JWST 以及未来的 ELT）可以验证这样的 ETG 划分是否在早期宇宙中也成立

Thoughts #

  • 可以和 Somerville2015PhysicalModelsGalaxy 联系起来
    • 关于椭圆/spiral 的结论主要是椭圆星系/bulge 主要是通过 merger 形成的，但是也可以通过 disk instability 形成
  • 应该只有比较近的星系才能得到具有运动学信息的 IFS 吧？
  • 其实快转和慢转星系的划分也不是非常深奥，就是 pure ellipse 和 disky 的划分
    • 旋转的显著程度好像不太适合用快/慢来描述？快转星系其实只是运动更多以随机形式存在而已
  • 运动学图片的信息很难直接看懂，除了一边蓝一边红的速度信息
    • 红蓝的 diverging color map 已经成为 dynamics 图片的一个惯例了，其实这个 color map 不是最美观的
  • 3.4 节在综述里面插入了一段自己的 new study，还用了很多的“I”，感觉不是非常合适？
  • 排版上来说给外链和内链加颜色是很好的实践
  • MaNGA 好像就是最顶级的 IFS survey，除此之外的 IFS survey 还包括 ATLAS 3D
  • 2x2 的星系分类可以和 2024 的 two phase model series 结合起来
  • 这里的 core 是相对于 cusp 来说的，也就是中心区域的亮度没有突增，而是形成一段平坦的区域，观测上大致对应于一个均匀亮度的 core
  • review 确实信息量很大，看到最后有点被 overwhelm 了

Supplement #

  • inclination=0 对应 edge-on，90 对应 face-on
  • 一般认为 quench 是不可逆的，但是在已经 quench 的星系中再次出现 SF activity 也是可能的，称作 rejuvenation
    • 这个概念在 cosmic chronometer paper 中出现过
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