We investigate the accuracy of the parametric recovery of the line‐of‐sight velocity distribution (LOSVD) of the stars in a galaxy while working in pixel space. Problems appear when the data have a low signal‐to‐noise ratio or the observed LOSVD is not well sampled by the data. We propose a simple solution based on maximum penalized likelihood, and we apply it to the common situation in which the LOSVD is described by a Gauss‐Hermite series. We compare different techniques by extracting the stellar kinematics from observations of the barred lenticular galaxy NGC 3384 obtained with the SAURON integral‐field spectrograph.

Abstract We describe the Sloan Digital Sky Survey IV (SDSS-IV), a project encompassing three major spectroscopic programs. The Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment 2 (APOGEE-2) is observing hundreds of thousands of Milky Way stars at high resolution and high signal-to-noise ratios in the near-infrared. The Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) survey is obtaining spatially resolved spectroscopy for thousands of nearby galaxies (median  ). The extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) is mapping the galaxy, quasar, and neutral gas distributions between  and 3.5 to constrain cosmology using baryon acoustic oscillations, redshift space distortions, and the shape of the power spectrum. Within eBOSS, we are conducting two major subprograms: the SPectroscopic IDentification of eROSITA Sources (SPIDERS), investigating X-ray AGNs and galaxies in X-ray clusters, and the Time Domain Spectroscopic Survey (TDSS), obtaining spectra of variable sources. All programs use the 2.5 m Sloan Foundation Telescope at the Apache Point Observatory; observations there began in Summer 2014. APOGEE-2 also operates a second near-infrared spectrograph at the 2.5 m du Pont Telescope at Las Campanas Observatory, with observations beginning in early 2017. Observations at both facilities are scheduled to continue through 2020. In keeping with previous SDSS policy, SDSS-IV provides regularly scheduled public data releases; the first one, Data Release 13, was made available in 2016 July.

We investigate with unprecedented accuracy the correlations between the dynamical mass-to-light ratio M/L and other global observables of E and S0 galaxies. We construct two-integral Jeans and three-integral Schwarzschild dynamical models for a sample of 25 E/S0 galaxies with SAURON integral-field stellar kinematics. We find a tight correlation of the form (M/L)=(3.80+/-0.14)*(sigma/200 km/s)^(0.84+/-0.07) between the dynamical M/L (in the I-band) and the luminosity-weighted second moment (sigma) of the line-of-sight velocity-distribution within Re. The observed rms scatter in M/L for our sample is 18%, while the inferred intrinsic scatter is ~13%. The (M/L)-sigma relation can be included in the remarkable series of tight correlations between sigma and other galaxy global observables. The comparison of the observed correlations with the predictions of the Fundamental Plane (FP), and with simple virial estimates, shows that the `tilt' of the FP of early-type galaxies, is due to a real M/L variation, while structural and orbital non-homology have a negligible effect. The virial mass is a reliable estimator of the mass in the central regions of galaxies. The best-fitting virial relation has the form (M/L)_vir=(5.0+/-0.1)*Re*sigma^2/(L*G). The comparison of the dynamical M/L with the (M/L)_pop inferred from the analysis of the stellar population, indicates a median dark matter fraction in early-type galaxies of ~30% of the total mass inside one Re. (Abridged)

We present the emission-line fluxes and kinematics of 48 representative elliptical and lenticular galaxies obtained with our custom-built integral-field spectrograph, SAURON, operating on the William Herschel Telescope. Hβ, [O iii]λλ4959,5007 and [N i]λλ5198,5200 emission lines were measured using a new procedure that simultaneously fits both the stellar spectrum and the emission lines. Using this technique we can detect emission lines down to an equivalent width of 0.1 Å set by the current limitations in describing galaxy spectra with synthetic and real stellar templates, rather than by the quality of our spectra. Gas velocities and velocity dispersions are typically accurate to within 14 and 20 km s−1, respectively, and at worse to within 25 and 40 km s−1. The errors on the flux of the [O iii] and Hβ lines are on average 10 and 20 per cent, respectively, and never exceed 30 per cent. Emission is clearly detected in 75 per cent of our sample galaxies, and comes in a variety of resolved spatial distributions and kinematic behaviours. A mild dependence on the Hubble type and galactic environment is observed, with higher detection rates in lenticular galaxies and field objects. More significant is the fact that only 55 per cent of the galaxies in the Virgo cluster exhibit clearly detected emission. The ionized-gas kinematics is rarely consistent with simple coplanar circular motions. However, the gas almost never displays completely irregular kinematics, generally showing coherent motions with smooth variations in angular momentum. In the majority of the cases, the gas kinematics is decoupled from the stellar kinematics, and in half of the objects this decoupling implies a recent acquisition of gaseous material. Over the entire sample however, the distribution of the mean misalignment values between stellar and gaseous angular momenta is inconsistent with a purely external origin. The distribution of kinematic misalignment values is found to be strongly dependent on the apparent flattening and the level of rotational support of galaxies, with flatter, fast rotating objects hosting preferentially corotating gaseous and stellar systems. In a third of the cases, the distribution and kinematics of the gas underscore the presence of non-axisymmetric perturbations of the gravitational potential. Consistent with previous studies, the presence of dust features is always accompanied by gas emission while the converse is not always true. A considerable range of values for the [O iii]/Hβ ratio is found both across the sample and within single galaxies. Despite the limitations of this ratio as an emission-line diagnostic, this finding suggests either that a variety of mechanisms is responsible for the gas excitation in E and S0 galaxies or that the metallicity of the interstellar material is quite heterogeneous.

The Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) is a second-generation VLT panoramic integral-field spectrograph currently in manufacturing, assembly and integration phase. MUSE has a field of 1x1 arcmin2 sampled at 0.2x0.2 arcsec2 and is assisted by the VLT ground layer adaptive optics ESO facility using four laser guide stars. The instrument is a large assembly of 24 identical high performance integral field units, each one composed of an advanced image slicer, a spectrograph and a 4kx4k detector. In this paper we review the progress of the manufacturing and report the performance achieved with the first integral field unit.

We provide a census of the apparent stellar angular momentum within 1 Re of a volume-limited sample of 260 early-type galaxies (ETGs) in the nearby Universe, using integral-field spectroscopy obtained in the course of the ATLAS3D project. We exploit the LambdaR parameter to characterise the existence of two families of ETGs: Slow Rotators which exhibit complex stellar velocity fields and often include stellar kinematically Distinct Cores (KDCs), and Fast Rotators which have regular velocity fields. Our complete sample of 260 ETGs leads to a new criterion to disentangle Fast and Slow Rotators which now includes a dependency on the apparent ellipticity (Epsilon). It separates the two classes significantly better than the previous prescription, and than a criterion based on V/Sigma: Slow Rotators and Fast Rotators have LambdaR lower and larger than kFSxSQRT(Epsilon), respectively, where kFS=0.31 for measurements made within 1 Re. We show that the vast majority of early-type galaxies are Fast Rotators: these have regular stellar rotation, with aligned photometric and kinematic axes (Paper II, Krajnovic et al. 2011}, include discs and often bars and represent 86% (224/260) of all early-type galaxies in the volume-limited ATLAS3D sample. Fast Rotators span the full range of apparent ellipticities from 0 to 0.85, and we suggest that they cover intrinsic ellipticities from about 0.35 to 0.85, the most flattened having morphologies consistent with spiral galaxies. Only a small fraction of ETGs are Slow Rotators representing 14% (36/260) of the ATLAS3D sample of ETGs. Of all Slow Rotators, 11% (4/36) exhibit two counter-rotating stellar disc-like components and are rather low mass objects (Mdyn<10^10.5 M_Sun). All other Slow Rotators (32/36) appear relatively round on the sky (Epsilon_e<0.4), tend to be massive (Mdyn>10^10.5 M_Sun), and often (17/32) exhibit KDCs.

We study the volume-limited and nearly mass selected (stellar mass M>6*10^9 Msun) Atlas3D sample of 260 early-type galaxies. We construct detailed axisymmetric dynamical models (JAM), which allow for orbital anisotropy, include a dark matter halo, and reproduce in detail both the galaxy images and the high-quality integral-field stellar kinematics. We derive accurate total M/L and dark matter fractions f_DM, within a sphere of radius r=Re. We also measure the stellar M/L and derive a median dark matter fraction f_DM=13%. We find that the thin two-dimensional subset spanned by galaxies in the (M_JAM,sigma_e,R_e) coordinates system, which we call the Mass Plane (MP) has an observed rms scatter of 19% and an intrinsic one of 11%. The MP satisfies the scalar virial relation M_JAM sigma_e^2 R_e within our tight errors. However, the details of how both Re and sigma_e are determined are critical in defining the precise deviation from the virial exponents. We revisit the (M/L)-sigma_e relation, which describes most of the deviations between the MP and the FP. The best-fitting relation is (M/L) sigma_e^0.72 (r-band). It provides an upper limit to any systematic increase of the IMF mass normalization with sigma_e. We study of the link between sigma_e and the galaxies circular velocity V_circ within 1Re (where stars dominate) and find the relation max(V_circ)~1.76*sigma_e, which has an observed scatter of 7%. The accurate parameters described in this paper are used in the companion Paper XX of this series to explore the variation of global galaxy properties, including the IMF, on the projections of the MP. [Abridged]

This paper documents the seventeenth data release (DR17) from the Sloan Digital Sky Surveys; the fifth and final release from the fourth phase (SDSS-IV). DR17 contains the complete release of the Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) survey, which reached its goal of surveying over 10,000 nearby galaxies. The complete release of the MaNGA Stellar Library (MaStar) accompanies this data, providing observations of almost 30,000 stars through the MaNGA instrument during bright time. DR17 also contains the complete release of the Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment 2 (APOGEE-2) survey which publicly releases infra-red spectra of over 650,000 stars. The main sample from the Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), as well as the sub-survey Time Domain Spectroscopic Survey (TDSS) data were fully released in DR16. New single-fiber optical spectroscopy released in DR17 is from the SPectroscipic IDentification of ERosita Survey (SPIDERS) sub-survey and the eBOSS-RM program. Along with the primary data sets, DR17 includes 25 new or updated Value Added Catalogs (VACs). This paper concludes the release of SDSS-IV survey data. SDSS continues into its fifth phase with observations already underway for the Milky Way Mapper (MWM), Local Volume Mapper (LVM) and Black Hole Mapper (BHM) surveys.

In the companion Paper XV of this series, we derive accurate total mass-to-light ratios |$(\rm M/L)_{\rm JAM}\approx ({\rm M/L})({\it r}= {R_{\rm e}})$| within a sphere of radius |$r= {R_{\rm e}}$| centred on the galaxy, as well as stellar (M/L)stars (with the dark matter removed) for the volume-limited and nearly mass-selected (stellar mass |$M_\star \gtrsim 6\times 10^9 {\,\mathrm{M}_{\odot }}$|⁠) ATLAS3D sample of 260 early-type galaxies (ETGs, ellipticals Es and lenticulars S0s). Here, we use those parameters to study the two orthogonal projections |$({M_{\rm JAM}}, {\sigma _{\rm e}})$| and |$({M_{\rm JAM}}, {R_{\rm e}^{\rm maj}})$| of the thin Mass Plane (MP) |$({M_{\rm JAM}}, {\sigma _{\rm e}}, {R_{\rm e}^{\rm maj}})$| which describes the distribution of the galaxy population, where |$ {M_{\rm JAM}}\equiv L\times ({\rm M/L})_{\rm JAM}\approx M_\star$|⁠. The distribution of galaxy properties on both projections of the MP is characterized by: (i) the same zone of exclusion (ZOE), which can be transformed from one projection to the other using the scalar virial equation. The ZOE is roughly described by two power laws, joined by a break at a characteristic mass |$ {M_{\rm JAM}}\approx 3\times 10^{10} {\,\mathrm{M}_{\odot }}$|⁠, which corresponds to the minimum Re and maximum stellar density. This results in a break in the mean |$ {M_{\rm JAM}}\text{--} {\sigma _{\rm e}}$| relation with trends |$ {M_{\rm JAM}}\propto \sigma _{\rm e}^{2.3}$| and |$ {M_{\rm JAM}}\propto \sigma _{\rm e}^{4.7}$| at small and large σe, respectively; (ii) a characteristic mass |$ {M_{\rm JAM}}\approx 2\times 10^{11} {\,\mathrm{M}_{\odot }}$| which separates a population dominated by flat fast rotator with discs and spiral galaxies at lower masses, from one dominated by quite round slow rotators at larger masses; (iii) below that mass the distribution of ETGs’ properties on the two projections of the MP tends to be constant along lines of roughly constant σe, or equivalently along lines with |$ {R_{\rm e}^{\rm maj}}\propto {M_{\rm JAM}}$|⁠, respectively (or even better parallel to the ZOE: |$ {R_{\rm e}^{\rm maj}}\propto M_{\rm JAM}^{0.75}$|⁠); (iv) it forms a continuous and parallel sequence with the distribution of spiral galaxies; (v) at even lower masses, the distribution of fast-rotator ETGs and late spirals naturally extends to that of dwarf ETGs (Sph) and dwarf irregulars (Im), respectively.

We present an overview of a new integral field spectroscopic survey called MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory), one of three core programs in the fourth-generation Sloan Digital Sky Survey (SDSS-IV) that began on 2014 July 1. MaNGA will investigate the internal kinematic structure and composition of gas and stars in an unprecedented sample of 10,000 nearby galaxies. We summarize essential characteristics of the instrument and survey design in the context of MaNGA's key science goals and present prototype observations to demonstrate MaNGA's scientific potential. MaNGA employs dithered observations with 17 fiber-bundle integral field units that vary in diameter from 12" (19 fibers) to 32" (127 fibers). Two dual-channel spectrographs provide simultaneous wavelength coverage over 3600-10300 A at R~2000. With a typical integration time of 3 hr, MaNGA reaches a target r-band signal-to-noise ratio of 4-8 (per A, per 2" fiber) at 23 AB mag per sq. arcsec, which is typical for the outskirts of MaNGA galaxies. Targets are selected with stellar mass greater than 1e9 Msun using SDSS-I redshifts and i-band luminosity to achieve uniform radial coverage in terms of the effective radius, an approximately flat distribution in stellar mass, and a sample spanning a wide range of environments. Analysis of our prototype observations demonstrates MaNGA's ability to probe gas ionization, shed light on recent star formation and quenching, enable dynamical modeling, decompose constituent components, and map the composition of stellar populations. MaNGA's spatially resolved spectra will enable an unprecedented study of the astrophysics of nearby galaxies in the coming 6 yr.