[論文レビュー] Direct T_e-based Metallicities of z=2-9 Galaxies with JWST/NIRSpec: Empirical Metallicity Calibrations Applicable from Reionization to Cosmic Noon

Ryan L. Sanders, Alice E. Shapley+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 20

ひとこと要約

本論文は大規模 JWST/NIRSpec サンプルにおける [O iii]4364 オーロラ線の検出を提示し、Te ベースの金属量を導出し、再電離 epoch から cosmic noon まで適用可能な強線比の初の高赤方偏移経験的校準を構築した。

ABSTRACT

We report detections of the [OIII]$λ$4364 auroral emission line for 16 galaxies at z=2.1-8.7, measured from JWST/NIRSpec observations obtained as part of the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey program. We combine this CEERS sample with 9 objects from the literature at z=4-9 with auroral-line detections from JWST/NIRSpec and 21 galaxies at z=1.4-3.7 with auroral-line detections from ground-based spectroscopy. We derive electron temperature T_e and direct-method oxygen abundances for the combined sample of 46 star-forming galaxies at z=1.4-8.7. We use these measurements to construct the first high-redshift empirical T_e-based metallicity calibrations for the strong-line ratios [OIII]/H$β$, [OII]/H$β$, R23=([OIII]+[OII])/H$β$, [OIII]/[OII], and [NeIII]/[OII]. These new calibrations are valid over 12+log(O/H)=7.0-8.4 and can be applied to samples of star-forming galaxies at z=2-9, leading to an improvement in the accuracy of metallicity determinations at Cosmic Noon and in the Epoch of Reionization. The high-redshift strong-line relations are offset from calibrations based on typical $z\sim0$ galaxies or HII regions, reflecting the known evolution of ionization conditions between $z\sim0$ and $z\sim2$. Deep spectroscopic programs with JWST/NIRSpec promise to improve statistics at the low and high ends of the metallicity range covered by the current sample, as well as improve the detection rate of [NII]$λ$6585 to allow the future assessment of N-based indicators. These new high-redshift calibrations will enable accurate characterizations of metallicity scaling relations at high redshift, improving our understanding of feedback and baryon cycling in the early universe.

研究の動機と目的

• 宇宙史を通じたガス相金属量を堅牢に測定する動機づけとなること（ガスフローと物質循環を理解するため）
• JWSTのオーロラ線を用いて高赤方偏移サンプルの直接法金属量を提供すること
• 高赤方偏移での Te ベース O/H と rest-optical 強線比との経験的校正を発展させること

提案手法

• JWST/NIRSpec CEERS データで [O iii]4364 オーロラ線を検出し Te および直接的な O/H を取得する
• JWST 文献と地上ベースのオーロラ線サンプルと組み合わせて z=1.4-8.7 の 46 銀河を構成する
• [O iii]4364/[O iii]5008（または 1666/5008）から電子温度 Te を、[S ii] から電子密度 ne を計算する
• O/H を直接計算し、強線比（O3/Hβ、O2/Hβ、R23、O3O2、Ne3O2）と Te ベース O/H との経験的関係をフィットさせる
• 12+log(O/H)=7.0–8.4 の金属量範囲で z=2-9 のサンプルに適用可能な校正を提供する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移の銀河は JWST/NIRSpec オーロラ線を用いて信頼できる Te ベース金属量を得られるか
• RQ2 高赤方偏移での Te ベース O/H と一般的な rest-optical 強線比との経験的関係はどうなるか
• RQ3 高-z 校正は進化する ISM 条件を考慮すると局所校正とどう異なるか
• RQ4 Cosmic Noon から Epoch of Reionization (z~9) まで一枚の unified high-z 校正を適用できるか

主な発見

• 46 の星形成銀河を合成したサンプル（z=1.4-8.7）に対して Te ベース金属量を検出した
• 金属量範囲 12+log(O/H)=7.0-8.4 における O3/Hβ、O2/Hβ、R23、O3O2、Ne3O2 の高赤方偏移経験的校正を構築した
• 高赤方偏移の強線関係は z~0 の校正とずれており、ISM の電離条件の進化を反映している
• 校正は z=2-9 に適用可能で、Cosmic Noon と Epoch of Reionization の金属量決定を改善できる
• 高赤方偏移の ISM は硬い電離スペクトルと高い電子密度を示しており、赤方偏移に特化した校正が必要であることと一致している
• 将来の JWST プログラムは統計を改善し、N ベースの指標の評価を可能にするだろう