[논문 리뷰] Evolution of the Stellar Mass-Metallicity Relation Since z=0.75

John Moustakas, Dennis Zaritsky외 10명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 14.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 AGES 설문조사와 SDSS의 광학 스펙트로포토미터리 데이터를 이용해 z=0.05에서 z=0.75 사이의 성간은은성은 은하에서 별질량-중금속도(M-Z) 관계의 진화를 측정한다. z≈0.7에서 은하의 중금속도는 같은 질량에서 국지 은하의 30–60%에 불과하며, 질량에 따른 진화가 유의미하지 않다—이는 M-Z 관계의 형태 변화 없이 단순히 적색편이에 따라 이동하는 것으로 나타나며, 이는 간단한 적색편이 의존적 이동을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간에 따라 성간은은성 은하의 별질량-중금속도(M-Z) 관계의 진화를 측정하기 위해.
• 중금속도 진단 방법 선택, 개구부 편향, AGN 오염 등의 체계적 오차가 M-Z 측정에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• z=0.05–0.75 범위에서 M-Z 관계가 질량에 따라 다르게 진화하는지 테스트하기 위해.
• 낮은 적색편이에서의 SDSS 데이터와 높은 적색편이에서의 AGES 설문조사 결과를 동일한 분석 파이프라인을 사용해 일관성 있게 비교하기 위해.
• 비다항식 기능 형태를 제안하여 물리적으로 타당한 M-Z 관계를 만들고, 다항식 피팅에서 관찰되는 비물리적 전환점을 피하기 위해.

제안 방법

• z=0.05–0.75 범위의 보테스 영역에서 AGES 설문조사의 3,000개 성간은은성 은하에서 이완선(Hα, Hβ, [O ii], [O iii], [N ii], [S ii])을 측정한다.
• 체계적 불확실성에 대한 철저한 오차 예산을 포함한 최신 선 밝기 측정 기법을 적용한다.
• 강선 보정법(M91 및 T04)을 사용해 발광선 비율에서 기체상 산소 농도(12+log(O/H))를 유도한다.
• 선택 효과를 최소화하고 신뢰성 있는 비교를 가능하게 하기 위해 여섯 개의 적색편이 밴드에 걸쳐 부피 제한 샘플을 구성한다.
• 지역 M-Z 관계를 기반으로 하기 위해, z=0.05–0.2 범위의 약 75,000개의 SDSS 은하에 동일한 분석 파이프라인을 적용한다.
• M-Z 관계에 대한 새로운 기능 형태를 제안: 12+log(O/H) = 12+log(O/H)* − log[1 + (M*/10⁹ M☉)^γ], 닫힌 상자 화학적 진화 모델에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈0.75에서 현재 시점까지 별질량-중금속도(M-Z) 관계는 어떻게 진화했는가?
• RQ2 중금속도 진단 방법 선택, 개구부 효과, AGN 오염 등의 체계적 오차가 고적색편이에서 M-Z 측정에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 별질량을 가진 은하에서는 M-Z 관계가 질량에 따라 다르게 진화하는가, 아니면 단순히 적색편이에 따라 균일하게 이동하는가?
• RQ4 물리적으로 타당한 기능 형태는 다항식 피팅에서 관찰되는 비물리적 전환점을 피할 수 있는가?
• RQ5 z=0.05–0.75 범위에서 M-Z 관계에 질량에 따른 진화의 증거가 있는가?

주요 결과

• z≈0.7에서 은하의 중금속도 같은 별질량에서 국지 은하의 30–60%에 불과하여 기체상 중금속도의 강한 진화를 시사한다.
• 10⁹.⁸에서 10¹¹ M☉ 사이의 별질량을 가진 은하에서 M-Z 관계는 통계적으로 유의미한 질량에 따른 진화를 보이지 않는다.
• 고적색편이에서 M-Z 관계는 형태 변화 없이 단순한 적색편이 의존적 이동으로 잘 기술되며, 이는 통합된 진화 경향과 일치한다.
• 중금속도 진화의 불확실성은 주로 강선 보정법의 선택, 특히 M91 방법에 의해 주로 결정된다.
• 제안된 M-Z 관계의 기능 형태는 비물리적 전환점을 피하고 질량 증가에 따라 중금속도 단조롭게 증가하는 것으로 예상되는 경향을 더 잘 반영한다.
• 결과는 M-Z 관계가 적색편이에 따라 균일하게 진화하며, 우주의 시간에 따라 지속적인 가스 유입과 피드백로 인해 기체상 중금속도 감소하는 것으로 설명되는 시나리오를 지지한다.