pop-cosmos: Galaxy size evolution across structural and star-formation classifications in COSMOS-Web

技术摘要：pop-cosmos：COSMOS-Web 中基于结构与恒星形成分类的星系大小演化

问题与动机
已知星系大小与恒星质量和红移相关，并表现出尺寸标度关系。然而，推导出的这些关系形式对于如何对星系进行分类非常敏感。传统研究通常根据恒星形成活动（例如，比恒星形成率 sSFR）或形态特征（例如，核球/总量比 $B/T$ 或塞西克指数 $n$）对星系进行区分，并常将这些分类视为等效。一个关键的未解之谜是，这些方案识别的是否是相同的结构种群，或者它们是否捕捉到了不同的星系演化维度。此外，以往的工作依赖于静止波长颜色选择（例如 $UVJ$），这可能会受到尘埃星形成星系的污染，且地面观测成像可能会模糊结构细节。本文研究了基于 sSFR 的分类与基于形态学的分类是否会产生定量不同的尺寸–质量和尺寸–红移关系，以及这种差异是否仅能通过空间观测分辨率来恢复。

方法论
作者结合了 COSMOS 区域的两个不同数据集，构建了一个包含 99,369 个星系的样本：

1. 物理参数： 恒星质量 ($M_*$)、红移 ($z$) 和 sSFR 估计值是使用 pop-cosmos 生成模型 (Thorp et al. 2025) 得出的。该模型在 26 波段 COSMOS2020 光度计 (Weaver et al. 2022) 上进行训练，并利用基于评分的扩散模型学习 16 个光谱能量分布 (SED) 参数的联合分布，从而避免了限制性的函数形式。
2. 尺寸与形态： 半光半径 ($R_{50}$)、塞西克指数 ($n$) 和核球/总量比 ($B/T$) 获取自 COSMOS2025 星表 (Shuntov et al. 2025)，该星表基于 COSMOS-Web 巡天中的高分辨率 JWST/NIRCam 成像。

分析样本通过 0.5" 孔径进行匹配，并经过质量控制以剔除恒星、混合源及不可靠的尺寸测量值。样本范围限制在 $0.0 < z < 3.0$。
作者使用贝叶斯推断拟合尺寸–质量和尺寸–红移关系，采用考虑测量不确定性和本征散射 ($\sigma_{int}$) 的高斯似然函数。

• 恒星形成/盘主导/晚型种群 使用单幂律进行拟合：$R_{50} = R_0 (M_*/5\times10^{10} M_\odot)^B$。
• 静止/核球主导/早型种群 使用双幂律来捕捉潜在的转折点：$R_{50} = \gamma (M_*/M_\odot)^\alpha (1 + M_*/10^\delta M_\odot)^{\beta-\alpha}$。
• 尺寸–红移关系 被建模为 $R_0 = B_z (1+z_m)^{-\beta_z}$。

分类应用如下：

• sSFR： 静止型 ($\log_{10}(\text{sSFR}/\text{yr}^{-1}) \le -11$) 对比 恒星形成型。
• B/T： 盘主导型 ($B/T \le 0.2$)、中间型、核球主导型 ($B/T \ge 0.6$)。
• 塞西克指数： 晚型 ($n \le 2.5$) 对比 早型 ($n > 2.5$)。

关键结果

1. 标度关系的定量差异： sSFR 和形态划分产生了定量不同的斜率、截距和本征散射行为。

   • 斜率： 恒星形成/盘主导系统遵循较平缓的斜率 ($B \sim 0.12\text{--}0.27$)，而静止/核球主导系统则表现出较陡的高质量斜率 ($B \sim 0.46\text{--}0.62$)。
   • 本征散射： 至关重要的是，$\sigma_{int}$ 取决于结构形态而非 sSFR。盘主导系统显示出较低的散射 ($\sigma_{int} \sim 0.13\text{--}0.14$ dex)，相比之下，核球主导系统较高 ($\sigma_{int} \sim 0.18\text{--}0.20$ dex)。相反，恒星形成种群和静止种群表现出相似的散射 ($\sim 0.15$ dex)。
   • 转折点： 静止种群和核球主导种群都显示出双幂律转折，但其质量转折点不同。静止种群的转折质量为 $\delta_Q \sim 10^{10.7} M_\odot$，而核球主导种群的转折质量为 $\delta_B \sim 10^{11.1} M_\odot$。

2. 淬灭与结构转变的脱节： 静止转折质量 ($\delta_Q$) 与核球主导转折质量 ($\delta_B$) 之间的偏移表明，恒星形成停止（淬灭）与结构转变（核球形成）发生在不同的时间尺度上。淬灭先于形态转变。

3. 形态依赖趋势需要空间望远镜成像： 识别出的结构趋势（特别是 $B/T$、质量与红移之间的相关性）在地面成像 (HSC-I) 中被抹除，但在 JWST/COSMOS-Web 数据中被清晰恢复。地面测量无法解析 sSFR 类中的结构多样性，特别是在低红移处，此时很大一部分静止星系仍是盘状结构。

4. 与 AGN 反馈的联系：

   • 静止转折质量 ($\sim 10^{10.7} M_\odot$) 与过渡星系中 AGN（红外环）玻洛米特光度比例达到峰值的质量尺度，以及 AGN 反馈在晕中变得有效的质量尺度 ($M_{200} \sim 10^{12} M_\odot$) 相吻合。
   • 核球主导转折质量 ($\sim 10^{11.1} M_\odot$) 与 AGN 驱动的重子再分配达到峰值的晕质量 ($M_{200} \sim 10^{12.7} M_\odot$) 相吻合，后者创造了导致盘加热和结构转变的条件。
   • 在 $z < 0.5$ 时，对于最高质量的星系，双幂律转折变得无法约束，这表明在最高质量的晕中 ($M_{200} \gtrsim 10^{13.5} M_\odot$)，AGN 反馈可能无法阻止气体重新吸积，从而导致剧烈的淬灭转变失效。

意义与主张
本文声称，星系大小标度关系编码了一个物理上截然不同的阈值序列，而非单一的演化转变过程。其主要意义在于证明了：

• 分类方案并非互换的： sSFR、$B/T$ 和塞西克指数捕捉了“先淬灭后转变”序列中的不同阶段。将它们视为等效会掩盖这两个过程在质量依赖上的脱节。
• 本征散射作为晕探测器： 本征散射对形态（而非 sSFR）的依赖意味着，星系大小是通过结构配置（例如，盘中的角动量守恒对比核球中的长期演化过程）而非恒星形成活动与晕自旋相连。
• 空间分辨率的必要性： 要恢复形态依赖的趋势以及 sSFR 类中真实的结构多样性，需要 JWST 等空间望远镜提供的分辨率，因为地面数据会模糊这些区别。
• 两阶段演化： 结果支持一种两阶段图景，即 AGN 反馈在特定质量尺度触发淬灭，随后是延迟的结构转变（转化为核球主导系统），这一过程由长期演化和盘加热驱动，并受环境调节。

作者得出结论，使用群体层面的前向模型 (pop-cosmos) 结合高分辨率空间形态学，可以为解构这些演化路径提供一个连贯的框架。