Constraining the Multi­Phase Gas Content of Galaxies in the Local Cosmic WebD. V. Stark (UNC), S. J. Kannappan (UNC), L. H. Wei (UMD), A. J. Baker (Rutgers), M. P. Haynes 

(Cornell), R. Giovanelli (Cornell), F. Heitsch (UNC), and the RESOLVE and ALFALFA Teams

RESOLVE: A Comprehensive Mass CensusMass census of all galaxies with Mb a r y o n i c  >~ 1.5x109 Ms u n  in two subvolumes totaling ~53,000 Mpc3 

Dynamical masses from SOAR long­slit/image­slicer survey of ionized gas   and stellar kinematicsCluster/Group masses from redshift campaign Stellar masses from SED+spectral fitting using public UV/opt/NIR surveysGas masses from methods described hereKey science includes: 

➢ Multi­scale constraints on missing baryons➢ Merger rates as a function of dynamical mass and gas mass ratio➢ Relationship of disk regrowth and pure disk galaxies to large scale structure➢ Origin of gas richness threshold at log Ms t a r s ~ 9.7 (Kannappan et al 2009)

IntroductionThe  RESOLVE  Survey  is  a  census  of  gas,  stars,  and  dark  matter within a well defined volume of the local universe.  Here, we describe how  we  will  account  for  the  gas  mass  within  RESOLVE  across various  temperature  regimes.    We  will  use  both  direct  observations (e.g.  21  cm  fluxes)  and  scaling  relations  (e.g.  photometric  gas fractions)  to  measure  HI  and  H2.    We  will  also  investigate  the universe’s  undetected  baryonic  mass,  commonly  known  as  the “Missing Baryons” and believed to be mainly warm­hot ionized gas.   Combining kinematically derived total masses with measurements of observable  mass,  we  will  constrain  the  missing  baryons  both  within galaxies  and  in  their  surrounding  environments,  providing  the  most detailed mass census yet achieved over a large volume.  

Atomic Hydrogen (HI)ALFALFA­RESOLVE partnership (data reduction underway)Starting point Minimum detectable HI mass < ~109 Ms u n 

Further completionBlue dwarfs and galaxies outside ALFALFA footprint: Photometric gas     fractions (See poster 470.18 by Eckert et al)Red galaxies: Robust ALFALFA upper limitsLarge scale structure: Can determine mass of ensemble of HI without direct detections via stacking spectra (Catinella et al 2010).

ConclusionsOur purpose is to make a full gas census within theRESOLVE survey

Methods vary from direct observations (21 cm) to scaling relations (photometric gas fractions)

Application of multiple methods allows more accurate determination of gas mass, while illuminating conditions where different gas phases are important

Study of H2 mass­photometry relations reveals a central starburst cycle

Studies of ultra­blue galaxies suggest another gas mass component unseen in HI and CO observations 

For more information on RESOLVE, see posters 470.18 (Eckert et al) and 470.19 (Liu et al)

ReferencesBettoni, D., Galletta, G., Garcia­Burillo, S. 2003, A&A, 405, 5Casasola, V., Bettoni, D., Galletta, G. 2004, A&A, 422, 941 Catinella et al., 2010, in pressGarnett, D. 2002, ApJ, 581, 1019Giovanelli, R., et al. 2005, AJ, 130, 2598Jansen, R. A., Fabricant, D., Franx, M., Caldwell, N. 2000a, ApJS, 126, 331Jansen, R. A., Franx, M., Fabricant, D., Caldwell, N. 2000b, ApJS, 126, 271Kannappan, S. J., Guie, J. M., and Baker, A. J. 2009. AJ, 138, 579Kannappan, S. J., Jansen, R. A., and Barton, E. J. 2004. AJ, 127, 1371Kannappan, S. J. and Wei, L. H. 2008, AIP Conf. Proc., 1035, 163Leroy, A., Bolatto, A. D., Simon, J. D., Blitz, L. 2005, ApJ, 625, 763Matthews, L. D., Gao, Y., Uson, J. M., Combes, F. 2005, AJ, 129, 1849Wei, L. H., Kannappan, S. J., Vogel, S. N., Baker, A. J. 2010, ApJ, 708, 841

Figure  1:  Initial  RESOLVE  sample  from  Kannappan  and  Wei  (2008).   SDSS  galaxies  brighter  than  Mr=­17.23,  between  cz=4500­7000  km/s, including galaxies with no SDSS redshift but with a redshift in HyperLeda.

Figure 3:  (Left) Relation between Ms t a r s  and ∆(B­R), where ∆(B­R) = B­R  from the half­light radius to the 75% light radius minus B­R within the half­light radius.  Residuals in Ms t a r s  vs ∆(B­R) define ∆(B­R)m c o r r  (blue­centeredness), adapted from the definition in Kannappan, Jansen, and Barton  (2004).    (Right) H2/HI  ratio  versus  ∆(B­R)m c o r r ,  showing  the  rising and  falling H2 fractions associated with a central starburst.  Kannappan, Jansen, Barton (2004) find that blue­centeredness is correlated with small interactions that can drive the observed burst cycle.

Figure 5: (Left) Ultra­blue galaxies (B­K < 2.5) show lower HI/Ms t a rs  than expected  based  on  the  rest  of  the  galaxy  population  (Data  from  Nearby Field  Galaxy  Survey  Database).    (Right)  Ultra­blue  galaxies  also  show discrepancies  in  baryonic  mass.    The  addition  of  CO­derived  H2  masses suggest the missing element is not molecular gas, but is more likely warm­hot ionized gas (Data from Bettoni et al 2003, Casasola et al (2004), Leroy et al (2005), Matthews et al (2005), and Garnett (2002)).

How do we account for the gas mass?

Figure 2:  The RESOLVE footprint.  Shaded regions mark ALFALFA overlap (85%).  (Upper Right)  ALFALFA  detections as a function of distance (courtesy of M. Haynes).  RESOLVE lies between 65 and 100 Mpc. 

Figure 4: Multiple measures of H2/HI  fraction: ∆(B­R)m c o r r  (left), ∆(U­B)m c o r r  (middle) which follows  same  definition  as  ∆(B­R)m c o r r  except  with  U­B  color,  and  the  global  Hα  equivalent width  integrated  over  the  whole  galaxy  (right).    Investigation  of  individual  galaxies  highlights reasons why certain parameters fail to correlate with H2 mass.  For example, NGC 2780 and IC 2520  contain  widespread  dust,  causing  photometric  measures  (e.g.  ∆(B­R)m c o r r )  to  fail  but spectroscopic  measures  (e.g.  Hα  equivalent  width)  to  succeed  in  predicting  H2  mass.    NGC 5762 and NGC 7077 appear to be pre­ and/or post­starburst galaxies, indicating why Hα does not correlate with their H2 mass.

NGC 2780 IC 2520 NGC 5762 NGC 7077Spring Region Fall Region

Distance = cz/70 [Mpc]0          50          100       150         200       250

11

10

 9

 8

 7

 6

 5

Unseen Phases (Missing Baryons)Compare baryonic to total mass on large & small scalesPossible new way to detect ionized gas reservoirs:

➢ Blue galaxies show low baryon fractions and low HI/Ms t a r s

   (despite gas richness) relative to expectations (Fig. 5)➢ Not gas loss – estimated SN feedback energy << energy   needed to produce extended gas halos this massive

➢ Not just a mass dependency on non­baryonic dark matter   (low mass red galaxies follow expectations)

➢ Missing mass likely warm­hot ionized gas, or possibly low­   metallicity cold molecular gas – undetected mass can be    estimated via relations seen in Figure 5.

Star formation signatures can also distinguish between unseen   baryonic and non­baryonic dark matter in the large scale  RESOLVE mass inventory

Molecular Hydrogen (H2)Aim to calibrate “cheap” methods to estimate H2 masses, in order to bootstrap from more demanding direct measurements (e.g. 1 2 CO emission)

A. Correlation between H2/HI ratio and color gradients, which suggests centralstarburst cycle (see Figure 3)

B. Reversing standard star formation laws (e.g. Hα   H→ 2)Combination of H2 indicators provides more reliable mass measurements and helps determine when H2 mass is significantPreliminary results below draw on the Nearby Field Galaxy Survey database, includingphotometry and spectroscopy from Jansen et al (2000a,b), HI data from Wei et al. (2010), and new H2 data from our IRAM program underway.

Log 

HI M

ass 

[so l

ar]