[論文レビュー] GMASS Ultradeep Spectroscopy of Galaxies at redshift z~2. I. The stellar metallicity

C. Halliday, E. Daddi+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 72被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、75個のGMASS調査銀河の合成スペクトルにおける1978 Å吸収インデックスを用いて、z ~ 2の星形成銀河の鉄豊度星間物質金属量を測定した。金属量は log(Z/Z☉) = -0.574 ± 0.159 であったが、これは同質量のガス相酸素金属量と比較して約0.25 dex低い値であり、銀河形成期における初期のα要素増強を示唆している。

ABSTRACT

Context: Galaxy metallicities have been measured to redshift z~2 by gas-phase oxygen abundances of the interstellar medium using the R23 and N2 methods. Galaxy stellar metallicities provide crucial data for chemical evolution models but have not been assessed reliably much outside the local Universe. Aims: We determine the iron-abundance, stellar metallicity of star-forming galaxies (SFGs) at redshift z~2, observed as part of the Galaxy Mass Assembly ultra-deep Spectroscopic Survey (GMASS). Methods: We compute the equivalent width of a rest-frame mid-ultraviolet, photospheric absorption-line index, the 1978 index found to vary monotonically with stellar metallicity by Rix and collaborators. We normalise and combine 75 SFG spectra from the GMASS survey to produce a spectrum corresponding to a total integration time 1652.5 hours (and a signal-to-noise ratio ~100 for our 1.5 angstrom binning) of FORS2 spectroscopic observations at the Very Large Telescope. Results: We measure an iron-abundance, stellar metallicity of log (Z/Zsolar) = -0.574+/-0.159 for our spectrum representative of a galaxy of stellar mass 9.4 x 10^9 Msolar assuming a Chabrier IMF. We find that the R04 model SFG spectrum for log (Z/Zsolar) = -0.699 solar metallicity provides the best description of our GMASS coadded spectrum. For similar galaxy stellar mass, our stellar metallicity is ~0.25 dex lower than the oxygen-abundance, gas-phase metallicity quantified by Erb and collaborators for UV-selected star-forming galaxies at z=2. Conclusions: We conclude that we are witnessing the establishment of a light-element overabundance in galaxies as they are being formed at redshift z~2. Our measurements are reminiscent of the alpha-element enhancement seen in low-redshift, galactic bulges and early-type galaxies. (Abridged)

研究の動機と目的

• 深紫外分光観測を用いて、z ~ 2における星形成銀河の鉄豊度星間物質金属量を特定すること。
• 局所宇宙を越えた信頼できる星間物質金属量測定の不足を解消すること。
• 化学的進化およびフィードバック過程を調べるために、星間物質金属量とガス相金属量を比較すること。
• 高赤方偏移のスターバースト銀河に、初期のα要素増強が既に存在するかどうかを調査すること。
• UV選択サンプルに起因する選択効果による金属量測定の系統的バイアスを評価すること。

提案手法

• GMASS調査の75個の個別銀河スペクトルを合成し、合計積分時間1652.5時間、S/N ~ 100の合成スペクトルを生成した。
• 1978 Å光球吸収ラインインデックスの等価幅（EW）を測定した。このインデックスはFe III遷移に敏感であり、星間物質金属量と単調に相関する。
• 理論的高質量星モデル（Pauldrach et al. 2001）とStarburst99の人口合成コードを用いて、スペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化し、1978 Åインデックスを金属量に校正した。
• R04補正法（Rix, Pettini et al. 2004）を適用し、1978 ÅインデックスのEWを鉄豊度金属量（log(Z/Z☉)）に結びつけた。
• Chabrier初期質量関数（IMF）を仮定し、観測された合成スペクトルに最もよく一致するモデルから金属量を導出した。
• 測定結果をErbら（2006）によるN2法を用いたガス相金属量測定と比較し、乖離の有無を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1978 Åインデックスを用いて測定された星形成銀河の鉄豊度星間物質金属量は、z ~ 2でどの程度か？
• RQ2 z ~ 2における同質量銀河のガス相酸素金属量（Erb ら 2006年）と比較して、星間物質金属量はどの程度異なるか？
• RQ3 UV選択による系統的バイアスが、測定された星間物質金属量にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 観測された金属量のずれは、高赤方偏移スターバースト銀河におけるα要素増強の始まりと整合的か？
• RQ5 星間物質とガス相金属量の乖離は、フィードバック駆動の吹き出しまたは遅延型Ia超新星の増幅によって説明可能か？

主な発見

• Chabrier IMFを仮定した場合、星質量9.4 × 10⁹ M☉の銀河に対して測定された鉄豊度星間物質金属量は log(Z/Z☉) = -0.574 ± 0.159 であった。
• R04モデルにおける log(Z/Z☉) = -0.699 が、合成GMASSスペクトルに対して最もよく一致した。
• 星間物質金属量は、z ~ 2の同質量銀河についてErb ら（2006年）が測定したガス相酸素金属量と比較して約0.25 dex低い値であった。
• 測定された金属量のずれは、星間物質またはガス相金属量測定における系統的誤差によって完全に説明される可能性は低い。
• この結果は、局所のバルジや早期型銀河で観測されるように、α要素増強の始まりと整合的であり、z ~ 2で既にその増強が進行している可能性を示唆している。
• UV選択およびS/N制約により、赤化が少なく金属量がやや高い銀河に偏る可能性があり、これが真の平均金属量を低く見積もっている可能性がある。