[論文レビュー] Dust, Gas, and Metallicities of Cosmologically Distant Lens Galaxies

Bin Chen, Xinyu Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、10個の重力レンズシステムのチャンドラX線データを分析し、高赤方偏移レンズ銀河におけるダスト対ガス比、金属量、および差分吸収を測定した。金属量とダスト対ガス比の間には線形相関が見られ、これは金属対ダスト比が一定であることを示唆しており、高赤方偏移域では平均ダスト対ガス比が低く（0.54×10⁻²² mag cm² atom⁻¹）、宇宙論的金属量進化および初期銀河における急速なダスト形成を示している。

ABSTRACT

We homogeneously analyzed the \chandra\ X-ray observations of 10 gravitational lenses, HE 0047-1756, QJ 0158-4325, SDSS 0246-0805, HE 0435-1223, SDSS 0924+0219, SDSS 1004+4112, HE 1104-1805, PG 1115+080, Q 1355-2257, and Q 2237+0305, to measure the differential X-ray absorption between images, the metallicity, and the dust-to-gas ratio of the lens galaxies. We detected differential absorption in all lenses except SDSS 0924+0219 and HE 1104-1805. This doubles the sample of dust-to-gas ratio measurements in cosmologically distant lens galaxies. We successfully measured the gas phase metallicity of three lenses, Q 2237+0305, SDSS 1004+4112, and B 1152+199 from the X-ray spectra. Our results suggest a linear correlation between metallicity and dust-to-gas ratio (i.e., a constant metal-to-dust ratio), consistent with what is found for nearby galaxies. We obtain an average dust-to-gas ratio $E(B-V)/N_H=1.17^{+0.41}_{-0.31} imes 10^{-22} m mag\,cm^2\,atom^{-1}$ in the lens galaxies, with an intrinsic scatter of $ m0.3\,dex$. Combining these results with data from GRB afterglows and quasar foreground absorbers, we found a mean dust-to-gas ratio $\mdtg,$ now significantly lower than the average Galactic value, $1.7\, imes 10^{-22}\, m mag\, cm^{2}\, atoms^{-1}.$ This suggests evolution of dust-to-gas ratios with redshift and lower average metallicities for the higher redshift galaxies, consistent with current metal and dust evolution models of interstellar medium. The slow evolution in the metal-to-dust ratio with redshift implies very rapid dust formation in high redshift ($z>2$) galaxies.

研究の動機と目的

• 同じ背景クェーサーの複数の像間のX線吸収差を利用して、高赤方偏移レンズ銀河におけるダスト対ガス比と金属量を測定すること。
• ミルキーウェイおよび近隣銀河で観測されたように、宇宙時間にわたって金属対ダスト比が一定であるという仮説を検証すること。
• ダスト対ガス比が赤方偏移とともに進化するかどうかを調査し、初期銀河における星間媒体の進化およびダスト形成 timescale に制約を加えること。
• レンズデータをガンマ線バースト後光およびクェーサーDLA測定と組み合わせ、赤方偏移に依存する信頼性の高い平均ダスト対ガス比を導出すること。

提案手法

• 10個の重力レンズシステムのチャンドラX線観測を用い、同一の背景クェーサー像間の差分X線吸収を検出した。
• X線スペクトルのフィッティングにより中性水素密度（N_H）とE(B-V）の減光量を導出し、ダスト対ガス比E(B-V)/N_Hの計算を可能にした。
• X線スペクトル解析から3つのレンズ銀河（Q 2237+0305、SDSS 1004+4112、B 1152+199）の気体相金属量を測定した。
• レンズデータを12個のガンマ線バーストおよび5個のクェーサーDLAシステムの既存測定と組み合わせ、赤方偏移に依存する平均ダスト対ガス比を計算した。
• 金属量とダスト対ガス比の間の線形相関モデルを適用し、赤方偏移にわたる金属対ダスト比の一貫性を推定した。
• 固有の散乱モデルを用いてダスト対ガス比の変動性を評価し、結果を銀河系および局所ISMの値と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイで観測されたように、高赤方偏移レンズ銀河でも金属量とダスト対ガス比の間に線形相関が存在するか？
• RQ2 宇宙論的に遠方のレンズ銀河（z < 1）における平均ダスト対ガス比は何か？ それは銀河系の値と比べてどうか？
• RQ3 ダスト対ガス比は赤方偏移とともに進化するか？ もしそうなら、初期銀河の金属量進化にどのような意味を持つのか？
• RQ4 高赤方偏移域（z > 2）におけるガンマ線バースト後光およびクェーサーDLAシステムからのダスト対ガス比と、レンズクェーサーからの値はどのように比較されるか？
• RQ5 観測されたダスト対ガス比の進化は、高赤方偏移銀河におけるダスト形成 timescale にどのような含意を持つのか？

主な発見

• 10個のレンズシステムのうち8つで差分X線吸収が検出され、レンズ銀河における顕著なダスト減光が確認された。
• 高赤方偏移銀河において金属量とダスト対ガス比の間には線形相関が存在し、宇宙時間にわたる金属対ダスト比の一貫性を示唆している。
• レンズ銀河（z < 1）における平均ダスト対ガス比は 1.17⁺⁰.⁴¹₋₀.³¹ × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹ であり、固有の散乱は0.3 dexで、銀河系の値（1.7 × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹）より低い。
• ガンマ線バーストおよびDLAデータと組み合わせた結果、高赤方偏移銀河（z ≳ 2）における平均ダスト対ガス比は 0.54⁺⁰.¹⁹₋₀.¹⁴ × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹ であり、銀河系の値より顕著に低く、6.8σの有意水準であった。
• 高赤方偏移域での低いダスト対ガス比は、赤方偏移が増加するに従い平均金属量が低下することを示唆し、宇宙論的金属量進化モデルを支持する。
• 結果から、高赤方偏移銀河（z > 2）における非常に急速なダスト形成が示唆され、最近のガンマ線バースト後光研究の結果とも整合している。