[논문 리뷰] The dependence of the gradients of oxygen and nitrogen-to-oxygen on stellar age in MaNGA galaxies

I. A. Zinchenko, J. M. Vı́lchez외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 96인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 MaNGA의 1,431개 은하에서 강선 방법 두 가지—경험적 R 보정과 베이지안 HII-CHI-mistry (HCm) 코드—를 사용하여 산소(O/H) 및 질소/산소(N/O) 농도의 반경 방향 기울기를 분석한다. 두 방법 모두 O/H 및 N/O 기울기가 중간 질량 은하(log(M/M⊙) ≈ 10)에서 가장 급격하고, 고질량 및 저질량 시스템에서는 기울기가 완만해지며, D(4000) 지수를 통한 항성 연령과의 상관관계를 보이며, 특히 저질량 은하에서 금속성 기울기의 시간에 따른 진화를 시사한다.

ABSTRACT

We derive the oxygen abundance (O/H), the nitrogen-to-oxygen (N/O) abundance ratio, and their corresponding radial gradients for a sample of 1431 galaxies from MaNGA DR15 survey using two different realizations of the strong line method: empirical R calibration and the Bayesian model-based {\sc HII-CHI-mistry} ({\sc HCm}) code. We find that both abundance calculation methods reveal a correlation between the O/H gradient and the stellar mass of a galaxy. This relation is non-linear, with the steepest average gradients in the intermediate mass range and flatter average gradients for high- and low-mass galaxies. The relation between the N/O gradient and the stellar mass is, on average, non-linear with the steepest gradients in the intermediate mass range ($\log(M/M_\sun) \sim 10$), flatter gradients for high-mass galaxies, and the flattest gradients for low-mass galaxies. However, the general trend of steepening N/O gradient for higher masses, reported in previous studies, remains evident. We find a dependence between the O/H and N/O gradients and the galaxy mean stellar age traced by the $D$(4000) index. For galaxies of lower masses, both gradients are, generally, steeper for intermediate values of $D$(4000) and flatter for low and high values of $D$(4000). Only the most massive galaxies do not show this correlation. We interpret this behaviour as an evolution of the metallicity gradients with the age of stellar population. Though the galaxies with a positive slope of the $D$(4000) radial gradient tend to have a flatter O/H and N/O gradients, as compared to those with a negative $D$(4000) gradient.

연구 동기 및 목표

• 근접한 은하에서 산소 및 질소/산소 농도 기울기가 항성 연령에 어떻게 의존하는지 조사하기.
• 두 가지 독립적인 농도 보정 방법을 사용하여 은하 항성 질량에 따른 반경 방향 금속성 기울기의 변화를 검토하기.
• D(4000) 지수를 평균 항성 집단 연령의 대체 지표로 사용하여 금속성 기울기와의 연관성을 탐색하기.
• 경험적 R 보정과 모델 기반 베이지안 HCm 방법의 결과를 비교하여 타당성과 일관성을 검토하기.
• 디스크 은하에서 질량 및 연령 영역에 따라 금속성 기울기의 진화 경향을 이해하기.

제안 방법

• MaNGA DR15 데이터를 사용하여 1,431개 은하의 공간 해상도가 있는 스펙트로스코피를 확보.
• 각 스파크셀에서 항성 연속체를 피팅하고 제거하기 위해 STARLIGHT 코드를 적용하여 순수한 발광선 스펙트럼을 분리.
• 몬테카를로 초기 매개변수 샘플링을 사용한 ELF3D 코드를 적용하여 가우시안 프로파일을 사용해 발광선 강도를 견고하게 피팅.
• 두 가지 방법을 사용해 O/H 및 N/O 농도를 계산: 경험적 R 보정(Pilyugin & Grebel, 2016)과 베이지안 HII-CHI-mistry(HCm) 코드(Pérez-Montero, 2014).
• 반경 영역의 중앙값을 선형 추세에 맞춰서 유효 반경(Re)으로 정규화된 반경 기울기를 계산.
• D(4000) 지수를 평균 항성 집단 연령의 대체 지표로 사용하여 질량 및 반경 프로파일 전반에서 기울기 기울기와의 상관관계를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O/H 및 N/O 농도 기울기는 은하 항성 질량에 따라 어떻게 변화하며, 이 관계는 비선형인가?
• RQ2 D(4000) 지수로 추적된 평균 항성 집단 연령에 따라 O/H 및 N/O 기울기는 어떻게 의존하는가?
• RQ3 경험적 R 보정과 모델 기반 HCm 방법 간에 관측된 기울기 경향은 다를까?
• RQ4 왜 고질량 은하(log(M/M⊙) > 10.25)에서는 기울기 기울기와 항성 연령 간에 유의미한 상관관계가 없나?
• RQ5 D(4000) 지수의 반경 기울기(항성 연령)는 O/H 및 N/O 기울기에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• R 보정과 HCm 방법 모두 음의 O/H 기울기를 확인하였으며, 중앙값은 각각 −0.06 dex/Re 및 −0.03 dex/Re였다.
• N/O 기울기도 음이며, 중앙값은 R 보정 기준 −0.12 dex/Re, HCm 기준 −0.18 dex/Re로 이전 연구와 일관되게 나타났다.
• O/H 기울기는 항성 질량에 대해 비선형 의존성을 보이며, log(M/M⊙) ≈ 10.0에서 평균 기울기가 가장 급격하고, 고질량 및 저질량 시스템에서는 기울기가 완만해졌다.
• N/O 기울기도 비선형 질량 의존성을 보이며, 중간 질량 범위(log(M/M⊙) ≈ 10)에서 가장 급격하고, 고질량 은하에서는 기울기가 완만해지고, 저질량 은하에서는 가장 완만했다.
• 저질량 은하에서는 D(4000) 값이 중간일 때 O/H 및 N/O 기울기가 급격하고, 저값 및 고값일 때는 기울기가 완만하여, 항성 집단 연령에 따른 기울기의 진화를 시사한다.
• 외곽이 더 오래된 D(4000) 반경 기울기를 가진 은하는 외곽이 더 젊은 경우보다 O/H 및 N/O 기울기가 더 완만한 것으로 나타났다.