[論文レビュー] The MOSDEF Survey: [SIII] as a New Probe of Evolving ISM Conditions

Ryan L. Sanders, Tucker Jones+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Species Distribution and Climate Change参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、MOSDEF調査の深紫外赤外分光計測によるKeck/MOSFIRE分光法を用いて、z ~ 1.5における星形成銀河の進化する銀河間物質（ISM）状態を新たに探る手段として[S iii] λλ9069,9531を導入する。S₃₂比（[S iii]/[S ii]）は、固定された星質量における赤方偏移に伴うわずかな進化しか示さず、高赤方偏移におけるより硬い電離スペクトルが原因であると考えられ、イオン化パラメータの増加とは異なる。これは、[S iii]が従来のラインとは異なり、ISMおよび星の組成進化をより頑健に診断できる可能性を示唆する。

ABSTRACT

We present measurements of [SIII]$λλ$9069,9531 for a sample of $z\sim1.5$ star-forming galaxies, the first sample with measurements of these lines at z>0.1. We employ the line ratio S$_{32}$$\equiv$[SIII]$λλ$9069,9531/[SII]$λλ$6716,6731 as a novel probe of evolving ISM conditions. Since this ratio includes the low-ionization line [SII], it is crucial that the effects of diffuse ionized gas (DIG) on emission-line ratios be accounted for in $z\sim0$ integrated galaxy spectra, or else that comparisons be made to samples of local HII regions in which DIG emission is not present. We find that S$_{32}$ decreases with increasing stellar mass at both $z\sim1.5$ and $z\sim0$, but that the dependence is weak suggesting S$_{32}$ has a very shallow anticorrelation with metallicity, in contrast with O$_{32}$ that displays a strong metallicity dependence. As a result, S$_{32}$ only mildly evolves with redshift at fixed stellar mass. The $z\sim1.5$ sample is systematicallty offset towards lower S$_{32}$ and higher [SII]/H$α$ at fixed [OIII]/H$β$ relative to $z=0$ HII regions. By comparing to photoionization model grids, we find that such trends can be explained by a scenario in which the ionizing spectrum is harder at fixed O/H with increasing redshift, but are inconsistent with an increase in ionization parameter at fixed O/H. This analysis demonstrates the advantages of expanding beyond the strongest rest-optical lines for evolutionary studies, and the particular utility of [SIII] for characterizing evolving ISM conditions and stellar compositions. These measurements provide a basis for estimating [SIII] line strengths for high-redshift galaxies, a line that the James Webb Space Telescope will measure out to z~5.5.

研究の動機と目的

• 星形成銀河における高赤方偏移におけるISM状態の進化を、[S iii]線放出線を用いて調査すること。
• [S iii]/[S ii]線比（S₃₂）が、強力な金属量依存性に依存しない電離状態の頑健な診断指標として機能するかどうかを評価すること。
• z ~ 1.5におけるISM特性を、局所のH II領域と比較し、z ≈ 0のサンプルにおける拡散電離ガス（DIG）の汚染を明示的に考慮すること。
• 将来的な高赤方偏移研究、特にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を想定した[S iii]の有用性を評価すること。

提案手法

• MOSDEF調査の深紫外赤外分光計測を用い、10個の個々のz ~ 1.5銀河および28個の銀河のスタックスペクトルにおいて、[S iii] λ9069およびλ9531を測定した。
• 個々のスペクトルを中央値スタッキングし、Hαの輝度で正規化することで、SFRバイアスを最小限に抑えた合成スペクトル（Stack1–Stack3）を構築した。
• 電離状態およびISM進化を調査するために、S₃₂比を[S iii] λλ9069,9531 / [S ii] λλ6716,6731として計算した。
• 赤方偏移z ~ 2におけるE(B-V)gas ≈ E(B-V)starsを仮定し、Hα/Hβ比を用いてチリスチックの減光を補正した。赤外減光則はCardelliらのものを用いた。
• 結果を局所のH II領域およびz ≈ 0のサンプルと比較し、局所比較におけるDIG汚染を明示的に考慮した。
• 傾向を解釈するために光電離モデルを用い、観測されたオフセットを説明する要因として、イオン化パラメータの変化と電離スペクトルの硬さの変化のどちらが適切かを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成銀河において、固定された星質量における[S iii]/[S ii]線比（S₃₂）は、赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ2 S₃₂比は、[O iii]/[O ii]などの他の診断指標と比較して、金属量にどの程度感受的か？
• RQ3 z ~ 1.5とz ≈ 0の銀河間で観測された励起シーケンスのオフセットは、イオン化パラメータの変化ではなく、電離スペクトルの硬さの変化によって説明できるか？
• RQ4 拡散電離ガス（DIG）の寄与は、局所と高赤方偏移の発光線比比較にどのように影響を与えるか？
• RQ5 [S iii]は、高赤方偏移銀河におけるISMおよび星の組成進化の診断にどの程度の可能性を秘めているか？

主な発見

• S₃₂比は、z ~ 1.5およびz ≈ 0の両方において星質量が増加するにつれて低下するが、勾配は緩く、金属量依存性は弱い。
• 固定された星質量におけるS₃₂比の赤方偏移に伴う進化はわずかであり、高赤方偏移におけるより硬い電離スペクトルが原因であると考えられ、イオン化パラメータの増加とは異なる。
• z ~ 1.5のサンプルは、固定された[O iii]/Hβに対してS₃₂が低く、[S ii]/Hαが高くなる傾向にあり、z ≈ 0のH II領域とは系統的にオフセットしている。これは、O/Hを固定した状態でイオン化パラメータが増加しているとは一致しない。
• このオフセットは、金属量を固定した状態で高赤方偏移銀河における電離スペクトルがより硬いことによって最もよく説明できる。
• [O iii]/[O ii]と比較して、[S iii]線比はISM進化の診断により頑健である。[O iii]/[O ii]は強い金属量依存性とデゲネラシーを示す。
• これらの結果は、[S iii]が将来的な高赤方偏移研究、特にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がz ~ 5.5まで[S iii]を測定できる可能性を支持する。