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.

We present the stellar population content of early-type galaxies from the Atlas3D survey. Using spectra integrated within apertures covering up to one effective radius, we apply two methods: one based on measuring line-strength indices and applying single stellar population (SSP) models to derive SSP-equivalent values of stellar age, metallicity, and alpha enhancement; and one based on spectral fitting to derive non-parametric star-formation histories, mass-weighted average values of age, metallicity, and half-mass formation timescales. Using homogeneously derived effective radii and dynamically-determined galaxy masses, we present the distribution of stellar population parameters on the Mass Plane (M_JAM, Sigma_e, R_maj), showing that at fixed mass, compact early-type galaxies are on average older, more metal-rich, and more alpha-enhanced than their larger counterparts. From non-parametric star-formation histories, we find that the duration of star formation is systematically more extended in lower mass objects. Assuming that our sample represents most of the stellar content of today's local Universe, approximately 50% of all stars formed within the first 2 Gyr following the big bang. Most of these stars reside today in the most massive galaxies (>10^10.5 M_sun), which themselves formed 90% of their stars by z~2. The lower-mass objects, in contrast, have formed barely half their stars in this time interval. Stellar population properties are independent of environment over two orders of magnitude in local density, varying only with galaxy mass. In the highest-density regions of our volume (dominated by the Virgo cluster), galaxies are older, alpha-enhanced and have shorter star-formation histories with respect to lower density regions.

We present the Atlas3D HI survey of 166 nearby early-type galaxies (ETGs) down to M(HI)~10^7 M_sun. We detect HI in ~40% of all ETGs outside the Virgo cluster and in ~10% of all ETGs inside it. This demonstrates that it is common for non-cluster ETGs to host HI. The HI morphology varies from regular discs/rings (the majority of the detections) to unsettled gas distributions. The former are either small discs (M(HI)<10^8 M_sun) confined within the stellar body and sharing the same kinematics of the stars, or large discs/rings (M(HI) up to 5x10^9 M_sun) extending to tens of kpc from the host galaxy and frequently kinematically decoupled from the stars. Neutral hydrogen provides material for star formation in ETGs. Galaxies with central HI exhibit signatures of star formation in ~70% of the cases, ~5 times more frequently than galaxies without central HI. The central ISM is dominated by molecular gas. In ETGs with a small gas disc the conversion of HI into H_2 is as efficient as in spirals. The ETG HI mass function has M*~2x10^9 M_sun and slope=-0.7. ETGs host much less HI than spirals as a family. However, a significant fraction of them is as HI-rich as spirals. The main difference between ETGs and spirals is that the former lack the high-column-density HI typical of the bright stellar disc of the latter. We find an envelope of decreasing M(HI) with increasing environment density. The gas-richest ETGs live in the poorest environments (where star-formation is more common), galaxies in the centre of Virgo have the lowest HI content, and the cluster outskirts are a transition region. We find an HI morphology-density relation. At low environment density HI is mostly distributed on large discs/rings. More disturbed HI morphologies dominate environment densities typical of rich groups, confirming the importance of processes occurring on a galaxy-group scale for the evolution of ETGs.

Galactic archeology based on star counts is instrumental to reconstruct the past mass assembly of Local Group galaxies. The development of new observing techniques and data-reduction, coupled with the use of sensitive large field of view cameras, now allows us to pursue this technique in more distant galaxies exploiting their diffuse low surface brightness (LSB) light. As part of the Atlas3D project, we have obtained with the MegaCam camera at the Canada-France Hawaii Telescope extremely deep, multi--band, images of nearby early-type galaxies. We present here a catalog of 92 galaxies from the Atlas3D sample, that are located in low to medium density environments. The observing strategy and data reduction pipeline, that achieve a gain of several magnitudes in the limiting surface brightness with respect to classical imaging surveys, are presented. The size and depth of the survey is compared to other recent deep imaging projects. The paper highlights the capability of LSB--optimized surveys at detecting new prominent structures that change the apparent morphology of galaxies. The intrinsic limitations of deep imaging observations are also discussed, among those, the contamination of the stellar halos of galaxies by extended ghost reflections, and the cirrus emission from Galactic dust. The detection and systematic census of fine structures that trace the present and past mass assembly of ETGs is one of the prime goals of the project. We provide specific examples of each type of observed structures -- tidal tails, stellar streams and shells --, and explain how they were identified and classified. We give an overview of the initial results. The detailed statistical analysis will be presented in future papers.

We make use of interferometric CO and HI observations, and optical integral-field spectroscopy to probe the origin of the molecular and ionised interstellar medium (ISM) in local early-type galaxies (ETGs). We find that 36\pm5% of our sample of fast rotating ETGs have their ionised gas kinematically misaligned with respect to the stars, setting a strong lower limit on the importance of externally acquired gas (e.g. from mergers and cold accretion). Slow rotators have a flat distribution of misalignments, indicating that the dominant source of gas is external. The molecular, ionised and atomic gas in all the detected galaxies are always kinematically aligned, even when they are misaligned from the stars, suggesting that all these three phases of the ISM share a common origin. In addition, we find that the origin of the cold and warm gas in fast-rotating ETGs is strongly affected by environment, despite the molecular gas detection rate and mass fractions being fairly independent of group/cluster membership. Galaxies in dense groups and the Virgo cluster nearly always have their molecular gas kinematically aligned with the stellar kinematics, consistent with a purely internal origin. In the field, however, kinematic misalignments between the stellar and gaseous components indicate that >46% of local fast-rotating ETGs have their gas supplied from external sources. We discuss several scenarios which could explain the environmental dichotomy, but find it difficult to simultaneously explain the kinematic misalignment difference and the constant detection rate. Furthermore, our results suggest that galaxy mass may be an important independent factor associated with the origin of the gas, with the most massive fast-rotating galaxies in our sample (M_K<-24 mag; stellar mass of >8x10^10 Msun) always having kinematically aligned gas. (abridged)