[논문 리뷰] GMASS Ultradeep Spectroscopy of Galaxies at redshift z~2. I. The stellar metallicity

C. Halliday, E. Daddi외 13명|arXiv (Cornell University)|2008. 01. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 72인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 75개의 GMASS 설문 조사 은하에서의 공통 스펙트럼을 통해 z ~ 2의 성별 은하의 철함량 별금속성(iron-abundance stellar metallicity)을 측정한다. 1978 Å 흡수 인덱스를 사용하여, log(Z/Z☉) = -0.574 ± 0.159의 금속성을 발견하였으며, 이는 유사 질량의 기체상 산소 금속성보다 약 0.25 dex 낮다. 이는 은하 형성 초기에 α-요소가 강하게 증가했음을 시사한다.

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)

연구 동기 및 목표

• 깊은 스펙트럼 측정을 통해 z ~ 2의 성별 은하의 철함량 별금속성을 결정하기 위해.
• 지구 근처 우주를 초월한 신뢰할 수 있는 별금속성 측정의 부족을 해결하기 위해.
• 화학적 진화 및 피드백 과정을 탐구하기 위해 별금속성과 기체상 금속성을 비교하기 위해.
• 고적색 우주에서의 성별 폭발 은하에서 초기 α-요소 강화가 이미 존재하는지 조사하기 위해.
• UV로 선택된 샘플의 선별 효과로 인한 금속성 측정의 체계적 편향을 평가하기 위해.

제안 방법

• GMASS 설문 조사에서 확보한 75개 개별 은하 스펙트럼을 조합하여 총 통합 시간 1652.5시간, S/N ~ 100인 공통 스펙트럼을 생성한다.
• 철 III 전이에 민감하고 별금속성과 단조롭게 상관관계가 있는 1978 Å 광학적 흡수선 인덱스의 등가폭(EW)을 측정한다.
• 이론적 대질량 별 모델(Pauldrach 등 2001)과 Starburst99 인구 합성 코드를 사용하여 SED를 모델링하고 1978 Å 인덱스를 금속성에 캘리브레이션한다.
• R04 캘리브레이션(Rix, Pettini 등 2004)을 적용하여 1978 Å 인덱스 EW를 철함량 금속성(log(Z/Z☉))에 연결한다.
• Chabrier 초기 질량 함수(IMF)를 가정하고 관측된 공통 스펙트럼에 가장 잘 맞는 모델에서 금속성을 유도한다.
• 측정 결과를 Erb 등(2006)이 사용한 N2 방법을 통해 기체상 금속성 측정치와 비교하여 격차를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1978 Å 인덱스를 통해 측정된 별금속성의 철함량은 z ~ 2의 성별 은하에서 얼마인가요?
• RQ2 z ~ 2에서 유사 질량 은하의 경우, z ~ 2에서 Erb 등(2006)이 측정한 기체상 산소 금속성과 비교할 때 별금속성은 어떻게 다릅니까?
• RQ3 UV 선택이 금속성 측정에 미치는 체계적 오차는 어느 정도이며, 이로 인해 측정된 별금속성이 영향을 받는가요?
• RQ4 관측된 금속성 편향은 고적색 우주 성별 폭발 은하에서 α-요소 강화의 시작과 일치합니까?
• RQ5 별금속성과 기체상 금속성 간의 격차는 피드백 유도 유출 또는 지연된 Type Ia 초신성 번영으로 설명될 수 있나요?

주요 결과

• Chabrier IMF를 가정할 경우, 별 질량 9.4 × 10⁹ M☉인 은하에 대해 측정된 철함량 별금속성은 log(Z/Z☉) = -0.574 ± 0.159이다.
• 공통 GMASS 스펙트럼에 가장 잘 맞는 R04 모델은 log(Z/Z☉) = -0.699를 제공한다.
• 이 별금속성은 z ~ 2에서 유사 질량 은하에 대해 Erb 등(2006)이 측정한 기체상 산소 금속성보다 약 0.25 dex 낮다.
• 관측된 편향은 별금속성 또는 기체상 금속성 측정의 체계적 오차로는 완전히 설명되지 않는다.
• 지표 은하의 부두 및 초기형 은하에서 관찰되는 것과 유사하게, α-요소 강화의 시작이 이미 z ~ 2에서 발생하고 있음을 시사하므로 결과는 일관된다.
• UV 선택 및 S/N 제약 조건은 더 적은 적색화, 더 낮은 금속성 은하로 측정을 편향시킬 수 있으며, 이는 실제 평균 금속성을 과소평가할 수 있다.