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.

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]

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.

Much of our knowledge of galaxies comes from analysing the radiation emitted by their stars, which depends on the present number of each type of star in the galaxy. The present number depends on the stellar initial mass function (IMF), which describes the distribution of stellar masses when the population formed, and knowledge of it is critical to almost every aspect of galaxy evolution. More than 50 years after the first IMF determination, no consensus has emerged on whether it is universal among different types of galaxies. Previous studies indicated that the IMF and the dark matter fraction in galaxy centres cannot both be universal, but they could not convincingly discriminate between the two possibilities. Only recently were indications found that massive elliptical galaxies may not have the same IMF as the Milky Way. Here we report a study of the two-dimensional stellar kinematics for the large representative ATLAS(3D) sample of nearby early-type galaxies spanning two orders of magnitude in stellar mass, using detailed dynamical models. We find a strong systematic variation in IMF in early-type galaxies as a function of their stellar mass-to-light ratios, producing differences of a factor of up to three in galactic stellar mass. This implies that a galaxy's IMF depends intimately on the galaxy's formation history.

The Atlas3D project is a multi-wavelength survey combined with a theoretical modeling effort. The observations span from the radio to the millimeter and optical, and provide multi-colour imaging, two-dimensional kinematics of the atomic (HI), molecular (CO) and ionized gas (Hbeta, [OIII] and [NI]), together with the kinematics and population of the stars (Hbeta, Fe5015 and Mgb), for a carefully selected, volume-limited (1.16*10^5 Mpc^3) sample of 260 early-type (elliptical E and lenticular S0) galaxies (ETGs). The models include semi-analytic, N-body binary mergers and cosmological simulations of galaxy formation. Here we present the science goals for the project and introduce the galaxy sample and the selection criteria. The sample consists of nearby (D<42 Mpc) morphologically-selected ETGs extracted from a parent sample of 871 galaxies (8% E, 22% S0 and 70% spirals) brighter than M_K<-21.5 mag (stellar mass M_Star>6*10^9 M_Sun). We analyze possible selection biases and we conclude that the parent sample is essentially complete and statistically representative of the nearby galaxy population. We present the size-luminosity relation for the spirals and ETGs and show that the ETGs in the Atlas3D sample define a tight red sequence in a colour-magnitude diagram, with few objects in the transition from the blue cloud. We describe the strategy of the SAURON integral-field observations and the extraction of the stellar kinematics with the pPXF method. We give an overview of the characteristics of the other main datasets already available for our sample and of the ongoing modelling projects.

Early results are reported from the SAURON survey of the kinematics and stellar populations of a representative sample of nearby E, S0 and Sa galaxies. The survey is aimed at determining the intrinsic shape of the galaxies, their orbital structure, the mass-to-light ratio as a function of radius, the age and metallicity of the stellar populations, and the frequency of kinematically decoupled cores and nuclear black holes. The construction of the representative sample is described, and its properties are illustrated. A comparison with long-slit spectroscopic data establishes that the SAURON measurements are comparable to, or better than, the highest-quality determinations. Comparisons are presented for NGC 3384 and 4365, where stellar velocities and velocity dispersions are determined to a precision of 6 km s−1, and the h3 and h4 parameters of the line-of-sight velocity distribution to a precision of better than 0.02. Extraction of accurate gas emission-line intensities, velocities and linewidths from the data cubes is illustrated for NGC 5813. Comparisons with published line strengths for NGC 3384 and 5813 reveal uncertainties of ≲0.1 Å on the measurements of the Hβ, Mg b and Fe5270 indices. Integral-field mapping uniquely connects measurements of the kinematics and stellar populations to the galaxy morphology. The maps presented here illustrate the rich stellar kinematics, gaseous kinematics, and line-strength distributions of early-type galaxies. The results include the discovery of a thin, edge-on, disc in NGC 3623, confirm the axisymmetric shape of the central region of M32, illustrate the LINER nucleus and surrounding counter-rotating star-forming ring in NGC 7742, and suggest a uniform stellar population in the decoupled core galaxy NGC 5813.

We present the stellar kinematics of 48 representative elliptical and lenticular galaxies obtained with our custom-built integral-field spectrograph SAURON operating on the William Herschel Telescope. The data were homogeneously processed through a dedicated reduction and analysis pipeline. All resulting SAURON data cubes were spatially binned to a constant minimum signal-to-noise ratio. We have measured the stellar kinematics with an optimized (penalized pixel-fitting) routine which fits the spectra in pixel space, via the use of optimal templates, and prevents the presence of emission lines to affect the measurements. We have thus generated maps of the mean stellar velocity V, the velocity dispersion σ, and the Gauss–Hermite moments h3 and h4 of the line-of-sight velocity distributions. The maps extend to approximately one effective radius. Many objects display kinematic twists, kinematically decoupled components, central stellar discs, and other peculiarities, the nature of which will be discussed in future papers of this series.

[Abridged] We use the ATLAS3D sample of 260 early-type galaxies (ETGs) to study the apparent kinematic misalignment angle, Psi, defined as the angle between the photometric and kinematic major axis. We find that 71% of nearby ETGs are strictly aligned systems (Psi > 5 deg), an additional 14% have 5 < Psi < 10 deg and 90% of galaxies have Psi < 15 deg. Taking into account measurement uncertainties, 90% of galaxies can be considered aligned to better than 5 deg, suggesting that only a small fraction of early-type galaxies (~10%) are not consistent with axisymmetry within the projected half-light radius. We identify morphological features such as bars and rings (30%), dust structures (16%), blue nuclear colours (6%) and evidence of interactions (8%). We use kinemetry to analyse the mean velocity maps and separate galaxies in two broad types of regular and non-regular rotators. We find 82% of regular rotators and 17% non-regular rotators, with 2 galaxies that we were not able to classify due to data quality. The non-regular rotators are typically found in dense regions and are massive. The majority of galaxies do not have any specific kinemetric features, but we highlight here the frequency of the kinematically distinct cores (7%) and the aligned double peaks in the velocity dispersion maps (4%). Most of the galaxies that are misaligned have complex kinematics and are non-regular rotators. While the trends are weak, there is a tendency that large values of Psi are found in galaxies at intermediate environmental densities and among the most massive galaxies in the sample. We suggest that the most common formation mechanism for ETGs preserves the axisymmetry of the disk progenitors. Less commonly, the formation process results in a triaxial galaxy with much lower net angular momentum.