[论文解读] JADES: Insights on the low-mass end of the mass--metallicity--star-formation rate relation at $3 < z < 10$ from deep JWST/NIRSpec spectroscopy

Mirko Curti, R. Maiolino+38 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 22

一句话总结

本文通过使用深度 JWST/NIRSpec 光谱在高红移时分析质量-金属丰度-SFR 关系的低质量端，推导出 62 个星系的金属丰度（$3 less z less 10$），并与高质量样本相结合，研究 MZR 的斜率、归一化随红移的演化，以及直到 z~10 的 FMR 偏离。

ABSTRACT

We analyse the gas-phase metallicity properties of a sample of low stellar mass (log M*/M_sun <= 9) galaxies at 3 < z < 10, observed with JWST/NIRSpec as part of the JADES programme in its deep GOODS-S tier. By combining this sample with more massive galaxies at similar redshifts from other programmes, we study the scaling relations between stellar mass, oxygen abundance (O/H), and star-formation rate (SFR) for 146 galaxies, spanning across three orders of magnitude in stellar mass and out to the epoch of early galaxy assembly. We find evidence for a shallower slope at the low-mass-end of the mass-metallicity relation (MZR), with 12 + log(O/H) = (7.72+-0.02) + (0.17+-0.03) log(M* / 10^8 M_sun), in good agreement with the MZR probed by local analogues of high-redshift systems like 'Green Pea' and 'Blueberry' galaxies. The inferred slope is well matched by models including 'momentum-driven' SNe winds, suggesting that feedback mechanisms in dwarf galaxies (and at high-z) might be different from those in place at higher masses. The evolution in the normalisation is observed to be relatively mild compared to previous determinations of the MZR at z~3 (~ 0.1 - 0.2 dex across the explored mass regime). We observe a deviation from the local fundamental metallicity relation (FMR) for our sample at high redshift, especially at z > 6, with galaxies significantly less enriched (with a median offset in log(O/H) of ~ 0.5 dex, significant at ~ 5 sigma) than predicted given their M* and SFR. These observations are consistent with an enhanced stochasticity in the star-formation history, and/or with an increased efficiency in metal removals by outflows, prompting us to reconsider the nature of the relationship between M*, O/H, and SFR in the early Universe.

研究动机与目标

• 研究在 3 < z < 10 的低质量星系中，气相金属丰度（O/H）如何随恒星质量（M*）和 SFR 变化。
• 使用 JWST 数据量化低-质量端质量-金属关系（MZR）的斜率及其演化。
• 测试本质金属关系（FMR）在高红移时的适用性及演化，特别是超过 z>6。
• 评估反冲、风等反馈如何影响早期低质量星系的化学富集。

提出的方法

• 分析 GOODS-S 中 JADES 项目的 JWST/NIRSpec 深光谱，结合 CEERS 的高质量星系。
• 使用重新检验的 Curti 等人（2020b）标定，锚定 Te 浓度并引入新的 R̂ 诊断来推导气相金属丰度。
• 通过 BEAGLE 对 PRISM 光谱进行全谱拟合来推断恒星质量，可选地包含用于通量归一化的 NIRCam 光度测量。
• 从 BEAGLE 推导的 SFR 值（在约 10 Myr 的时间尺度上取平均）以及在有可用数据时基于尘衣校正的 Balmer 线发光强度来估计 SFR。
• 使用 MCMC 方法（emcee）进行金属丰度测定，同时使用多种强线诊断（R3, R̂, O32），并考虑线比不确定性与标定器离散性。
• 为保持一致性，在多诊断可用时使用光栅数据（R~1000），否则依赖 PRISM（R~100）数据，并在配置之间交叉校验金属丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 3 < z < 10 时，MZR 低质量端的斜率是多少？
• RQ2 在低质量范围内，与早期的 z~3 研究相比，MZR 的归一化随红移的演化如何？
• RQ3 在 z > 6 时 FMR 是否成立，还是有更大散布或偏离的证据？
• RQ4 低质量星系的金属丰度对早期宇宙中的反馈（如动量驱动风）和金属逸出有何含义？
• RQ5 JWST/NIRSpec 推导的金属丰度与以 Te 为锚点以及低金属度局部拟合 analogs 的标定相比如何？

主要发现

• 低质量端 MZR 的斜率较浅：12 + log(O/H) = 7.72 ± 0.02 + 0.17 ± 0.03 log(M*/10^8 M⊙)。
• 在所探测的质量范围内，相比一些早期的 z~3 研究，金属丰度演化的归一化较温和。
• 将 JADES 低质量星系与高质量样本结合，得到覆盖 ~3 个数量级的 M* 的总体 MZR，金属丰度范围为 12 + log(O/H) = 7.21–8.54（均值 7.77 ≈ 0.12 Z⊙）。
• 在 z > 6 时，与局部 FMR 有显著偏离，中位数 log(O/H) 偏移约 0.5 dex（约 5σ），表明在金属去除方面存在更强的随机性或更强的风的影响。
• 结果与动量驱动风模型一致，作为低质量、高红移 MZR 斜率的关键驱动。
• 研究强调，在低质量星系的高红移金属富集可能比局部 FMR 所暗示的更为复杂，需要对早期宇宙中 M*、O/H 与 SFR 之间的相互依赖进行修订的解释。