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QUICK REVIEW

[論文レビュー] The cosmic build-up of dust and metals. Accurate abundances from GRB-selected star-forming galaxies at $1.7 < z < 6.3$

K. E. Heintz, A. De|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023
Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 9被引用数 4
ひとこと要約

本研究は、ガンマ線バースト（GRB）後の放射スペクトルを用いて、36個の高赤方偏移銀河（1.7 < z < 6.3）における気体相金属量、チリとガス（DTG）、チリと金属（DTM）質量比を測定した。金属量の線形的赤方偏移依存性と、DTG/DTMが金属量と強く相関することを発見し、低金属量領域では銀河中心のものとは顕著なずれを示しており、宇宙におけるチリと金属の豊度の進化に関する重要な制約を与える。

ABSTRACT

The chemical enrichment of dust and metals in the interstellar medium (ISM) of galaxies throughout cosmic time is one of the key driving processes of galaxy evolution. Here we study the evolution of the gas-phase metallicities, dust-to-gas (DTG), and dust-to-metal (DTM) ratios of 36 star-forming galaxies at $1.7 &lt; z &lt; 6.3$ probed by gamma-ray bursts (GRBs). We compile all GRB-selected galaxies with intermediate (R=7000) to high (R&gt;40,000) resolution spectroscopic data for which at least one refractory (e.g. Fe) and one volatile (e.g. S or Zn) element have been detected at S/N&gt;3. This is to ensure that accurate abundances and dust depletion patterns can be obtained. We first derive the redshift evolution of the dust-corrected, absorption-line based gas-phase metallicity [M/H]$_{ m tot}$ in these galaxies, for which we determine a linear relation with redshift ${ m [M/H]_{tot}}(z) = (-0.21\pm 0.04)z -(0.47\pm 0.14)$. We then examine the DTG and DTM ratios as a function of redshift and through three orders of magnitude in metallicity, quantifying the relative dust abundance both through the direct line-of-sight visual extinction $A_V$ and the derived depletion level. We use a novel method to derive the DTG and DTM mass ratios for each GRB sightline, summing up the mass of all the depleted elements in the dust-phase. We find that the DTG and DTM mass ratios are both strongly correlated with the gas-phase metallicity and show a mild evolution with redshift as well. While these results are subject to a variety of caveats related to the physical environments and the narrow pencil-beam sightlines through the ISM probed by the GRBs, they provide strong implications for studies of dust masses to infer the gas and metal content of high-redshift galaxies, and particularly demonstrate the large offset from the average Galactic value in the low-metallicity, high-redshift regime.

研究の動機と目的

  • 高赤方偏移銀河における正確な気体相金属量、チリとガス（DTG）、チリと金属（DTM）質量比を測定すること。
  • z ≈ 1.7 から z ≈ 6.3 の範囲で銀河内のチリと金属の豊度の宇宙的進化を調査すること。
  • GRB吸収線スペクトルが高赤方偏移銀河におけるチリと金属の組成をどの程度信頼できるプローブとして利用できるかを評価すること。
  • チリとガス（DTG）およびチリと金属（DTM）の質量比が金属量と赤方偏移にどのように依存するかを定量すること。この際、チリの吸収パターンを考慮する。
  • チリ連続スペクトル観測から高赤方偏移銀河における全ガス質量および全金属質量を推定するための制約を提供すること。

提案手法

  • 中程度（R ≈ 7000）から高分解能（R > 40,000）のGRB後の放射スペクトルを収集し、少なくとも1つの難揮発性元素（例：Fe）と1つの揮発性元素（例：S, Zn）についてS/N > 3を満たすようにする。
  • 線路方向の減光と吸収パターンを用いて、チリ補正済みの吸収線ベースの気体相金属量 [M/H]_tot を導出する。
  • 各GRB視線に沿ってチリ相に捕らえられた全元素の質量を合算することで、DTGおよびDTM質量比を計算する新規手法の開発。
  • 金属量の進化を定量化するため、線形赤方偏移関係 [M/H]_tot(z) = (-0.21 ± 0.04)z - (0.47 ± 0.14) をフィッティングする。
  • 金属量の3桁の範囲にわたる、赤方偏移および金属量との間のDTGおよびDTMの相関解析を実施する。
  • チリの吸収レベルと視覚的減光 A_V を用いて、変換係数に依存しない質量比を導出し、結果の妥当性を確保する。
Figure 1: Dust-corrected metallicity [M/H] tot as a function redshift for the GRB-selected galaxies. The small red data points show individual measurements, and the large red hexagons represent the H i -weighted means with redshift where the errorbars denote the redshift interval and $1\sigma$ dispe
Figure 1: Dust-corrected metallicity [M/H] tot as a function redshift for the GRB-selected galaxies. The small red data points show individual measurements, and the large red hexagons represent the H i -weighted means with redshift where the errorbars denote the redshift interval and $1\sigma$ dispe

実験結果

リサーチクエスチョン

  • RQ1高赤方偏移銀河における気体相金属量は、赤方偏移とともにどのように変化するか？
  • RQ2チリとガス（DTG）およびチリと金属（DTM）質量比は、金属量および赤方偏移にどのように依存するか？
  • RQ3GRBで選ばれた視線は、平均的な銀河のチリおよび金属の組成と比較して、どのような特徴を示すか？
  • RQ4チリの吸収パターンと減光測定値は、チリおよび金属の真の質量比をどの程度制約するか？
  • RQ5GRB吸収スペクトルは、高赤方偏移銀河における全ガス質量および全金属質量を信頼できる精度で推定できるか？

主な発見

  • 気体相金属量 [M/H]_tot は線形的赤方偏移依存性を示し、[M/H]_tot(z) = (-0.21 ± 0.04)z - (0.47 ± 0.14) と表される。これは、赤方偏移が低下するにつれて金属量が増加することを示している。
  • チリとガス（DTG）およびチリと金属（DTM）質量比は、気体相金属量に強く相関しており、金属量が高いほど増加する。
  • DTGおよびDTM比は赤方偏移とともにやや進化しており、チリと金属の宇宙的蓄積がゆっくりと進行していることを示している。
  • 低金属量・高赤方偏移銀河（z > 3）におけるDTGおよびDTM比は、銀河中心の平均値から顕著なずれを示しており、金属に対してチリの豊度が著しく低いことを示している。
  • 導出された質量比は変換係数に依存せず、吸収された元素の質量を直接測定することで得られており、系統的不確実性が最小限に抑えられている。
  • 結果は、GRB吸収スペクトルが、狭いペンシルビーム視線であってもチリおよび金属の組成を信頼できるプローブとして利用できることを支持しており、高赤方偏移銀河におけるチリ連続スペクトル観測の解釈に影響を与える。
Figure 2: $A_{V}$ vs. the equivalent metal column density, $\log N_{\rm HI}+{\rm[M/H]_{tot}}$ , i.e. the dust-to-metals (DTM) ratio. The red symbols show the GRB sample where the triangles denote $1\sigma$ upper limits. The dashed and dotted lines represent the average MW ratio and the scatter (Wats
Figure 2: $A_{V}$ vs. the equivalent metal column density, $\log N_{\rm HI}+{\rm[M/H]_{tot}}$ , i.e. the dust-to-metals (DTM) ratio. The red symbols show the GRB sample where the triangles denote $1\sigma$ upper limits. The dashed and dotted lines represent the average MW ratio and the scatter (Wats

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このレビューはAIが作成し、人間の編集者が確認しました。