[论文解读] Properties of z~3-6 Lyman break galaxies. II. Testing star formation histories and the SFR-mass relation with ALMA and near-IR spectroscopy

D. Schaerer, S. de Barros+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 71被引用 53

一句话总结

本研究通过光谱能量分布（SED）拟合结合星云发射效应以及ALMA/近红外光谱预测，检验了z~3–6红移处莱曼断裂星系（LBGs）中的恒星形成历史（SFHs）。结果表明，可变SFHs——尤其是上升或下降的恒星形成历史——相比标准的恒定恒星形成率（SFR）模型，会得出显著更低的星族质量、更高的SFR，以及更大的SFR–质量关系中的离散度，挑战了当前常用的SFR校准方法，并强调了需要多波段约束以准确测量高红移星系的演化。

ABSTRACT

We examine the dependence of derived physical parameters of distant Lyman break galaxies (LBGs) on the assumed star formation histories (SFHs), their implications on the SFR-mass relation, and we propose observational tests to better constrain these quantities. We use our SED-fitting tool including nebular emission to analyze a large sample of LBGs, assuming five different star formation histories, extending our first analysis of this sample (de Barros et al. 2012, paper I). In addition we predict the IR luminosities consistently with the SED fits. Compared to "standard" SED fits assuming constant SFR and neglecting nebular lines, assuming variable SFHs yield systematically lower stellar masses, higher extinction, higher SFR, higher IR luminosities, and a wider range of equivalent widths for optical emission lines. Exponentially declining and delayed SFHs yield basically identical results and generally fit best. Exponentially rising SFHs yield similar masses, but somewhat higher extinction. We find significant deviations between the derived SFR and IR luminosity from the commonly used SFR(IR) or SFR(IR+UV) calibration, due to differences in the SFHs and ages. Models with variable SFHs, favored statistically, yield generally a large scatter in the SFR-mass relation. We show that the true scatter in the SFR-mass relation can be significantly larger than inferred using SFR(UV) and/or SFR(IR). Different SFHs, and hence differences in the derived SFR-mass relation and in the specific star formation rates, can be tested/constrained observationally with future IR observations with ALMA. Measurement of emission lines, such as Halpha and [OII]3727, can also provide useful constraints on the SED models. We conclude that our findings of a large scatter in SFR-mass at high-z and an increase of the specific star formation rate above z>~3 (paper I) can be tested observationally. (abriged)

研究动机与目标

• 评估不同恒星形成历史（SFHs）对高红移莱曼断裂星系（LBGs）物理参数推导的影响。
• 在不同SFH假设下，检验SFR–质量关系与特定恒星形成率（sSFR）演化的稳健性。
• 识别可约束SFHs并减少SED拟合中退化问题的观测诊断指标，如红外光度与发射线等效宽度。
• 评估标准SFR校准方法（如SFR(IR)与SFR(IR+UV)）在非标准SFHs星系中应用时的可靠性。
• 预测未来ALMA与近红外光谱可探测的可观测特征，以区分不同竞争的SFH模型。

提出的方法

• 采用包含星云发射效应的SED拟合，应用五种SFH模型：恒定、指数衰减、延迟、指数上升及可变 timescale 历史。
• 一致地从SED模型预测红外光度（L_IR），考虑尘埃消光与SFH依赖的年龄效应。
• 比较不同SFH类型下推导出的SFR、星族质量、消光与发射线等效宽度（如Hα、[O II] λ3727）的差异。
• 通过对比SED推导的SFR与基于IR+UV光度推断的SFR，量化标准SFR校准（如Kennicutt 1998）的偏差。
• 预测B-降与i-降LBGs的ALMA可观测红外通量与发射线强度，作为紫外星等与SFH的函数。
• 评估年龄先验（如t > 50 Myr）与消光律对SFR–质量关系离散度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同恒星形成历史（如上升、下降、恒定）如何影响z~3–6 LBG的星族质量、SFR与尘埃消光？
• RQ2 当应用于非恒定SFHs星系时，标准SFR校准方法（SFR(IR)与SFR(IR+UV)）在多大程度上系统性高估或低估真实SFR？
• RQ3 在可变SFHs下，SFR–质量关系的预期离散度是多少？与标准SED拟合推导出的离散度相比如何？
• RQ4 未来ALMA对红外光度与红移系光学发射线（如Hα、[O II]）的观测，能否区分不同竞争的SFH模型？
• RQ5 预测的发射线等效宽度（如W_Hα）如何随SFH与星系质量变化？其能否作为可检验的观测诊断指标？

主要发现

• 假设可变SFHs——尤其是指数衰减或延迟历史——的模型，相比标准恒定SFR模型，系统性地得出更低的星族质量与更高的SFR。
• 指数上升SFHs产生相似的星族质量，但比衰减历史具有更高的消光，导致更高的红外光度与SFR。
• 标准SED拟合若假设恒定SFR且忽略星云发射线，会将星族质量高估约2–3倍，同时低估SFR与红外光度，相比可变SFHs。
• 当使用可变SFHs时，SFR–质量关系表现出显著更大的本征离散度，尤其在无年龄先验条件下，挑战了高红移主序列关系紧密的假设。
• SED模型预测的红外光度随SFH变化达约2–3倍，表明ALMA对L_IR的观测可有效区分不同SFHs。
• Hα与[O II] λ3727等效宽度在不同SFH下表现出明显不同的分布，低质量星系中等效宽度更高，且W_Hα与sSFR呈负相关，为近红外光谱提供了可检验的预测。