[論文レビュー] Chemical Elements at High and Low Redshifts

Max Pettini|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2006

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、赤方偏移 z ≈ 2.5 からビッグバンまでに、発光線診断法と吸収系を用いて高赤方偏移銀河および銀河間ガスの化学成分を測定する最近の進展をレビューする。現在の観測では、z = 2.5 までの星形成による全金属生成量の少なくとも40％が説明可能であり、残りの金属はおそらく未観測の相（例えば、サブ-DLA、質量の大きな銀河、見逃された集団）に存在すると考えられ、金属の「欠落」問題の解決に向けた進展を示唆している。

ABSTRACT

The past few years have seen a steady progress in the determination of element abundances at high redshifts, with new and more accurate measures of metallicities in star-forming galaxies, in QSO absorbers, and in the intergalactic medium. We have also become more aware of the limitations of the tools at our disposal in such endeavours. I summarise these recent developments and--in tune with the theme of this meeting--consider the clues which chemical abundance studies offer to the links between the high redshift galaxy populations and today's galaxies. The new data are `fleshing out' the overall picture of element abundances at redshifts z = 2 - 3 which has been gradually coming into focus over the last decade. In particular, we can now account for at least 40% of the metals produced by the global star formation activity in the universe from the Big Bang to z = 2.5, and we have strong indications of where the remainder are likely to be found.

研究の動機と目的

• 発光線および吸収系を用いた高赤方偏移における元素成分の測定に関する最近の進展を評価すること。
• 特にN2インデックスと温度感受性のオーロラ線が含まれる、成分診断ツールの信頼性を評価すること。
• z = 0 から z = 2.5 までの全金属生成量のうち、Lyman-αフォレスト、DLA、UV選択銀河などの観測対象が占める割合を特定すること。
• 残りの未説明金属（おそらく「欠落金属」とも呼ばれる）が、高赤方偏移宇宙においてどこに存在すると考えられるかを同定すること。
• 化学的進化を通じて、高赤方偏移銀河集団とその現在の後続天体との関係を確立すること。

提案手法

• 高赤方偏移の星形成銀河における酸素成分を推定するために、N2インデックス（log[N II]λ6583/Hα）のような発光線診断法を用いる。
• 電子温度を補正し、金属豊富なH II領域における成分の正確性を向上させるために、温度感受性のオーロラ線（例：[O III]λ4363）を適用する。
• 大型望遠鏡および近赤外分光計（例：Gemini GNIRS）の分光データを用い、z ≈ 2–3 の赤方偏移された発光線にアクセスする。
• UV選択銀河（例：BXサンプル）の共動体積密度と中央値バリオン質量・金属量を組み合わせ、全金属含有量を推定する。
• Lyman-αフォレスト、ダムプド・Lyman-α系（DLA）、およびサブ-DLAの寄与を統合し、全金属予算を評価する。
• 星形成歴からの予想される全金属質量密度と観測された金属質量密度を比較し、欠落した金属の蓄積場所を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N2インデックスのような現在の成分診断法が、高赤方偏移銀河における酸素成分をどれほど信頼性高く推定できるか。
• RQ2 ビッグバンから z = 2.5 までの全金属生成量のうち、DLA、Lyman-αフォレスト、UV選択銀河などの観測対象が占める割合はどの程度か。
• RQ3 UV選択で見逃されたような未観測または低サンプリングの銀河集団（特に）が、全金属予算に果たす役割は何か。
• RQ4 標準的な成分指標のキャリブレーションバイアスにより、高赤方偏移銀河における超太陽系金属量が過大評価されていないか。
• RQ5 残りの金属（おそらく「欠落金属」とも呼ばれる）は、高赤方偏移宇宙においてどこに存在すると考えられるか。

主な発見

• Pettini & Pagel (2004) が再キャリブレーションしたN2インデックスは、z ≈ 1.5–2.5 の高赤方偏移の星形成銀河における金属量推定に、信頼性が高く直接的な手法を提供する。
• 温度感受性のオーロラ線の結果から、高金属量領域ではR23インデックスが酸素成分を過大評価している可能性が示され、超太陽系金属量はかつて考えられていたよりもまれである可能性がある。
• z ≈ 2.2 のUV選択銀河の金属含有量は、中央値質量 3.6×10¹⁰ M⊙ および金属量 ~0.6 Z⊙ であり、金属予算に ΩZ ≈ 8.8×10⁻³ を寄与する。
• Lyman-αフォレストおよびDLAの寄与を加えると、観測対象による金属生成量は、z = 0 から z = 2.5 までの全金属生成量の約40％に達する。
• 残りの金属は、おそらくサブ-DLA、質量の大きなUV選択銀河、およびUV光度選択で見逃された銀河（特に近赤外およびSub-mm調査で検出されたもの）に存在すると考えられる。
• 高赤方偏移銀河における質量と金属量の相関から、より質量の大きな系が金属増加に特に寄与していることが示され、現在の推定値がまだ全金属含有量を低く見積もっている可能性がある。