The evolution of the Tully-Fisher relation at redshift z ̃1 [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Marco Barden

Barden, Raphaël Marco

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• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
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Extrait

The Evolution of the
Tully-Fisher Relation
at Redshift z 1
dissertation
der Fakultat fur Physik
an der Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen
vorgelegt von
Marco Barden
aus Koblenz
Januar, 2004Erstgutachter: Prof. Dr. Reinhard Genzel
Zweitgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Tag der mundlichen Prufung: 19.10.2004Zusammenfassung
Seit langem ist die Tully-Fisher Relation, eine empirische Beziehung zwischen der Rotations-
geschwingigkeit und der absoluten Helligkeit von Scheibengalaxien, ein wichtiges Werkzeug der
beobachtenden Kosmologie. Allerdings ist es bisher nicht gelungen eine schlussige Erklarung fur
die Entwicklung von Scheibengalaxien bei hoher Rotverschiebung zu nden. In dieser Arbeit soll
gezeigtwerdenwiedieVermessungvonrau mlichaufgelost enRotationskurvenbeiderRuhewellen-
langevonHzurKlar ungdieserFragebeitragenkann. InsbesonderesollhiereineAuswahlvon22
Scheibengalaxien vorgestellt werden, die im Mittel eine Rotverschiebung z 0,9 aufweisen. Dies
ist die bisher gro te Entfernung von solchen Galaxien, f ur die die Messung von Rotationskurven
erfolgreich war.
Ausgewahlt wurden diese Objekte insbesondere aufgrund ihrer Gro e, gemessen innerhalb der
Isophoten bei einer scheinbaren Flac henhelligkeit von 25 mag pro Quadratbogensekunde. Diese
GalaxiensindmorphologischvergleichbarmitderMilchstra e. Sieweisendiegr o tenSkalenl an gen
auf, die bei Scheibengalaxien bekannt sind, sogar im Vergleich mit lokalen Objekten.
Allein aus dieser Tatsache konnen wir schlie en, dass das erste Erscheinen von solch gro en
Scheibengalaxien weiter zuruck liegen muss als acht Milliarden Jahre. Wir errechnen fur diese
GruppevonScheibengalaxienscheinbarezentraleScheibenachenhelligkeiten,diewesentlichgro er
sind (um 1,44 Magnituden) als eine lokale Vergleichsgruppe mit ahnlicher Ausdehnung. Dabei ist
ihreabsoluteHelligkeitimMittelallerdingsnurweniggro eralsdiederlokalenVergleichsgalaxien.
KombiniertmandieErgebnisseausderEntwicklunginHelligkeit,Gro eundzentralerFl achenhel-
ligkeit, erkennt man, dass ein Szenario, in dem sich Galaxien“von innen nach au en”entwickeln,
d.h. die Scheibenskalenlangen wachsen mit der Zeit, wahrscheinlicher ist als eine hypothetische
selbst-ahnliche Entwicklung, bei der die Scheibenskalenlangen konstant bleiben und lediglich die
zentrale Flachenhelligkeit mit der Zeit abnimmt.
Weiterhin sind die Rotationsgeschwindigkeiten der hoch rotverschobenen Galaxien systema-
tisch niedriger als die der entsprechenden lokalen Objekte. Daraus ergibt sich eine im Mittel um
einen Faktor zwei niedrigere Masse fur die Galaxien im fruhen Universum. Kombiniert man die
beiden Resultate, niedrigere Masse bei gleichzeitig leicht gro erer absoluter Helligkeit, ergibt sich
eine Verschiebung der Tully-Fisher-Beziehung bei hoher Rotverschiebung zu gro er en Absoluthel-
ligkeiten von =1,44 mag im Vergleich zur lokalen Relation.TF
Daruber hinaus haben wir vergleichbare Daten aus der Literatur zusammen getragen um ein
umfassenderes Bild von der Entwicklung dieser Verschiebung der Tully-Fisher Relation zu erhal-
ten. Es scheint, dass sich die Tully-Fisher Beziehung systematisch mit der Zeit zu ihrer heutigen
Position bewegt hat, gema der Gleichung: = (0,190,19) (1,400,32)z. DiesesTF
ErgebnisberuhtaufderAnnahme,dassdieSteigungderTully-FisherRelationwah rendderganzen
Zeitkonstantgebliebenist. Sogarwennmansam tlicheLiteraturdatenzusammenbetrachtet,istes
nicht moglich die Steigung in den einzelnen Rotverschiebungsgruppen entscheidend einzugrenzen.
Im Vergleich mit semi-analytischen Modellen lasst sich keine Ubereinstimmung mit dem hier
beobachteten Trend einer sich verschiebenden Tully-Fisher Relation nden. Jedoch sagen die
numerischenModellevonSteinmetzundNavarro(1999),obwohlihrOrdinatenabschnittsowohlfur
lokalewieauchfurferneGalaxiennichtmitdenBeobachtungenubereinstimmt, eineVerschiebung
von derselben Gro e voraus wie sie oben angegeben wurde. Aus diesen Simulationen wird auch
ersichtlich, dass die Steigung der Tully-Fisher Relation mit der Zeit konstant bleibt.Contents
1 Abstract 9
2 Introduction 11
2.1 The Formation and Evolution of Disc Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 The Tully-Fisher Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 The Data and Analysis 15
3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Sample Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1 The High Redshift Sample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.2 The Local Comparison Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1 ISAAC Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.2 Ground-Based Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.3 HST Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.4 B-Band Images for Local Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5 Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.1 Distance Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.2 Surface Brightness Pro le Fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.3 Inclinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.4 Rotation Speeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5.5 Absolute Magnitudes and Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Truncation E ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.1 Surface Brightness E ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.2 Morphological Dependence of the Inclination . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.3 Morphological Dependence of the Disc Scale Length . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.4 Morphological Dependence of the Central Surface Brightness . . . . . . . . 79
3.6.5 Morphological Dependence of the Isophotal Radius . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.6 Morphological Dependence of the Absolute Magnitude . . . . . . . . . . . . 85
3.6.7 Resolution E ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6.8 Summary of Surface Brightness and Resolution E ects . . . . . . . . . . . . 88
4 Results 89
4.1 The Isophotal Radius R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8925
4.2 The Disc Scale Length R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92d
rest4.3 The Absolute Magnitude M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92B
rest4.4 The Central Surface Brightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97d
4.5 Morphological Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6 The Rotation Speed v and Mass M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108rot 2.2
4.7 The Tully-Fisher Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.7.1 The Tully-Fisher O set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
12 CONTENTS
4.7.2 Phenomenological Explanation of the Tully-Fisher Relation . . . . . . . . . 118
4.8 Colours and Mass-to-Light-Ratios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.9 Dynamical Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5 Discussion 135
5.1 Comparison with Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.1 The Vogt et al. Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.2 The Ziegler et al. Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.3 The Milvang-Jensen et al. Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.4 Intercomparison and Redshift Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2 Comparison with Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.1 Evolution of the Disc Scale Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.2 Evolution of the Absolute Magnitude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.3 Evolution of the Central Surface Brightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.4 Evolution of the B-V Colour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.5 Evolution of the Tully-Fisher relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6 Conclusions 161
7 Acknowledgements 165
Bibliography 167
A Statistical Tests 173
B Bulge-to-Disc Ratios 195
C The Atlas 203