[논문 리뷰] The MOSDEF Survey: [SIII] as a New Probe of Evolving ISM Conditions

Ryan L. Sanders, Tucker Jones외 16명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Species Distribution and Climate Change참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 MOSDEF 조사의 깊은 Keck/MOSFIRE 분광법을 활용하여, z ~ 1.5에서 별 형성 중인 은하의 진화하는 간성간 매질(ISM) 조건을 위한 새로운 탐사수단으로 [S iii] λλ9069,9531를 제안한다. S₃₂ 비율([S iii]/[S ii])이 고정된 항성 질량에서 적색편이에 따라 온화한 진화를 보이며, 이는 고적색편이에서 더 딱딱한 이온화 스펙트럼이 존재함을 시사하며, 이는 이온화 매개변수 증가보다 더 뚜렷하다. 이 결과는 [S iii]가 전통적인 선들보다 더 견고한 ISM 및 항성 조성 진화 진단 도구로 활용될 수 있음을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고적색편이 별 형성 은하의 ISM 조건 진화를 [S iii] 복사선을 활용하여 조사하는 것.
• [S iii]/[S ii] 선비율(S₃₂)이 강한 금속성 의존성과 독립된 이온화 조건의 견고한 진단 도구로 기능할 수 있는지 평가하는 것.
• z ~ 1.5에서의 ISM 성질을 국지 H ii 영역과 비교하며, z ≈ 0 샘플에서의 확산 이온화 가스(DIG) 오염을 고려하는 것.
• [S iii]가 향후 고적색편이 연구, 특히 제임스 웹 우주망원경을 통한 연구에 얼마나 유용한지 평가하는 것.

제안 방법

• MOSDEF 조사의 깊은 근적외선 분광법을 활용하여, 10개의 개별 z ~ 1.5 은하와 28개의 은하에 대해 스택드 스펙트럼을 포함해 [S iii] λ9069 및 λ9531를 측정하였다.
• 개별 스펙트럼을 중앙값 스택킹하여 복합 스펙트럼(Stack1–Stack3)을 구성하였으며, SFR 편향을 최소화하기 위해 Hα 빛의 세기에 따라 정규화하였다.
• 이온화 조건과 ISM 진화를 탐사하기 위해 S₃₂ 비율을 [S iii] λλ9069,9531 / [S ii] λλ6716,6731로 계산하였다.
• Hα/Hβ 비율을 사용하여-dust 흡수를 보정하였으며, z ~ 2에서 E(B-V)gas ≈ E(B-V)stars로 가정하고, Cardelli 등이 제안한 흡수 법칙을 적용하였다.
• 결과를 국지 H ii 영역 및 z ≈ 0 샘플과 비교하였으며, 국지 비교에서 DIG 오염을 명시적으로 고려했다.
• 경향을 해석하기 위해 광이온화 모델을 사용하였으며, 관측된 오프셋을 설명하는 데 있어 이온화 매개변수 변화와 이온화 스펙트럼의 딱딱함 중 어느 것이 더 적절한지 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 항성 질량에서 별 형성 은하에서 [S iii]/[S ii] 선비율(S₃₂)이 적색편이에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ2 S₃₂ 비율이 [O iii]/[O ii]와 같은 다른 진단 도구에 비해 금속성에 얼마나 민감한가?
• RQ3 z ~ 1.5와 z ≈ 0 은하 간의 이온화 시퀀스 오프셋은 이온화 매개변수 변화가 아니라 이온화 스펙트럼의 변화로 설명될 수 있는가?
• RQ4 확산 이온화 가스(DIG) 기여가 국지와 고적색편이 은하 간의 발광선 비율 비교에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 [S iii]는 고적색편이 은하의 ISM 및 항성 조성 진화 진단에 있어 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• S₃₂ 비율은 z ~ 1.5와 z ≈ 0 모두에서 항성 질량이 증가함에 따라 감소하지만 기울기가 얕아 금속성에 대한 약한 의존성을 시사한다.
• 고정된 항성 질량에서 S₃₂는 적색편이에 따라 온화한 진화를 보이며, 이는 고적색편이에서 더 딱딱한 이온화 스펙트럼이 존재함을 의미하며, 이온화 매개변수 증가보다 더 뚜렷하다.
• z ~ 1.5 샘플은 고정된 [O iii]/Hβ와 비교할 때 S₃₂가 낮고 [S ii]/Hα가 높아 z ≈ 0 H ii 영역과 체계적으로 오프셋되어 있으며, 이는 고정된 O/H에서 이온화 매개변수가 증가한다는 것과 일치하지 않는다.
• 이 오프셋은 이온화 매개변수 변화가 아니라 고적색편이 은하에서 고정된 O/H에서 더 딱딱한 이온화 스펙트럼이 존재함으로써 가장 잘 설명된다.
• [O iii]/[O ii]에 비해 [S iii] 선비율은 금속성에 대한 강한 의존성과 혼동의 위험이 적어 ISM 진화 진단에 더 견고한 도구이다.
• 이 결과들은 [S iii]가 향후 고적색편이 연구, 특히 제임스 웹 우주망원경이 z ~ 5.5까지 [S iii]를 측정할 수 있는 바탕이 되며 핵심 진단 도구로 활용될 수 있음을 지지한다.