[論文レビュー] Evolution of the Stellar Mass-Metallicity Relation Since z=0.75

John Moustakas, Dennis Zaritsky+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、AGES調査とSDSSの光学分光測定を用いて、z=0.05からz=0.75の間における星形成銀河の星間質量-金属濃度（M-Z）関係の進化を測定した。z≈0.7の銀河は、同じ質量で局所銀河の30–60%の金属濃度にとどまっていることが判明し、質量依存的進化は顕著でない。これは、M-Z関係の形状を変えずに赤方偏移に依存した単純なシフトであることを示唆している。

ABSTRACT

We measure the gas-phase oxygen abundances of ~3000 star-forming galaxies at z=0.05-0.75 using optical spectrophotometry from the AGN and Galaxy Evolution Survey (AGES), a spectroscopic survey of I_AB<20.45 galaxies over 7.9 deg^2 in the NOAO Deep Wide Field Survey (NDWFS) Bootes field. We use state-of-the-art techniques to measure the nebular emission lines and stellar masses, and explore and quantify several potential sources of systematic error, including the choice of metallicity diagnostic, aperture bias, and contamination from unidentified active galactic nuclei (AGN). Combining volume-limited AGES samples in six independent redshift bins and ~75,000 star-forming galaxies with r_AB<17.6 at z=0.05-0.2 selected from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) that we analyze in the identical manner, we measure the evolution of the stellar mass-metallicity (M-Z) between z=0.05 and z=0.75. We find that at fixed stellar mass galaxies at z~0.7 have just 30%-60% the metal content of galaxies at the present epoch, where the uncertainty is dominated by the strong-line method used to measure the metallicity. Moreover, we find no statistically significant evidence that the M-Z relation evolves in a mass-dependent way for M=10^9.8-10^11 Msun star-forming galaxies. Thus, for this range of redshifts and stellar masses the M-Z relation simply shifts toward lower metallicity with increasing redshift without changing its shape.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたる星形成銀河における星間質量-金属濃度（M-Z）関係の進化を測定すること。
• 金属濃度診断法の選択、開口部バイアス、AGN汚染といった系統的誤差がM-Z測定に与える影響を定量化すること。
• z=0.05–0.75の範囲でM-Z関係が質量依存的に進化するかどうかをテストすること。
• 低赤方偏移でのSDSSデータに同一の解析パイプラインを適用し、高赤方偏移のAGES調査結果と一貫性を検証すること。
• 物理的に妥当な非多項式関数形を提案し、不自然な逆転を避けること。

提案手法

• AGES調査のボーテス領域に位置する3,000個の星形成銀河から、中性線（Hα、Hβ、[O ii]、[O iii]、[N ii]、[S ii]）を測定。
• 系統的不確実性を慎重に見積もり、最新の線輝度測定技術を適用。
• 強線キャリブレーション（M91およびT04）を用いて、発光線比からガス相酸素含有量（12+log(O/H)）を導出。
• 選択効果を最小限に抑えるために、6つの赤方偏移チャンクにわたる体積制限サンプルを構築。
• z=0.05–0.2の約75,000個のSDSS銀河に同一の解析パイプラインを適用し、局所M-Z関係の基準を確立。
• M-Z関係のための新しい関数形を提案：12+log(O/H) = 12+log(O/H)* − log[1 + (M*/10⁹ M☉)^γ]。これは閉じたボックス化学進化モデルに基づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≈0.75から現在にかけて、星間質量-金属濃度（M-Z）関係はどのように進化したか？
• RQ2 金属濃度診断法の選択、開口部効果、AGN汚染といった系統的誤差が、高赤方偏移でのM-Z測定にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 異なる星間質量の銀河では、M-Z関係の進化が異なっているのか、それとも赤方偏移に依存した一様なシフトにとどまるのか？
• RQ4 物理的に妥当な関数形を用いることで、多項式フィットで見られる不自然な逆転を回避できるか？
• RQ5 z=0.05–0.75の赤方偏移範囲で、M-Z関係に質量依存的進化の兆候は見られるか？

主な発見

• z≈0.7の銀河は、同じ星間質量の局所銀河と比較して、金属濃度が30–60%にとどまっている。これはガス相金属濃度の顕著な進化を示している。
• 星間質量が10⁹.⁸から10¹¹ M☉の銀河では、M-Z関係に統計的に有意な質量依存的進化は認められない。
• 高赤方偏移におけるM-Z関係は、形状を変えずに赤方偏移に依存した単純なシフトでよく記述されており、普遍的な進化傾向と整合的である。
• 金属濃度進化の不確実性の主な要因は、強線キャリブレーションの選択であり、特にM91法が顕著である。
• 提案されたM-Z関係の関数形は、不自然な逆転を回避し、質量とともに金属濃度が単調に増加するという期待とより整合的である。
• 結果は、M-Z関係が赤方偏移に一様に進化しており、宇宙時間の経過に伴い継続的なガス供給とフィードバックによってガスの金属濃度が低下するという状況を支持している。