[논문 리뷰] Semi-analytic spectral fitting: simultaneously modelling the mass accumulation and chemical evolution in MaNGA spiral galaxies

Shuang Zhou, M. R. Merrifield외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 94인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 MaNGA 나선파라성 은하에서 별 형성 역사(SFHs)와 화학적 농도 역사(ChEHs)를 동시에 모델링하기 위해 별 흡수선 스펙트럼과 현재의 금속 농도 및 별 형성률을 제약하는 가스 방출선 제약 조건을 조합한 반분석 스펙트럼 피팅 방법을 제안한다. 이 방법은 질량이 큰 은하가 초기 가스 유입과 약한 외부 유출로 인해 별 형성과 금속 농도를 더 이르게 시작함으로써, 저적색 이르기까지 질량-금속 농도 관계가 평탄해지는 현상을 설명한다.

ABSTRACT

We develop a novel semi-analytic spectral fitting approach to quantify the star-formation histories (SFHs) and chemical enrichment histories (ChEHs) of individual galaxies. We construct simple yet general chemical evolution models that account for gas inflow and outflow processes as well as star formation, to investigate the evolution of merger-free star-forming systems. These models are fitted directly to galaxies' absorption-line spectra, while their emission lines are used to constrain current gas phase metallicity and star formation rate. We apply this method to spiral galaxies selected from the SDSS-IV MaNGA survey. By fitting the co-added absorption-line spectra for each galaxy, and using the emission-line constraints on present-day metallicity and star formation, we reconstruct both the SFHs and the ChEHs for all objects in the sample. We can use these reconstructions to obtain archaeological measures of derived correlations such as the mass--metallicity relation at any redshift, which compare favourably with direct observations. We find that both the SFHs and ChEHs have strong mass dependence: massive galaxies accumulate their stellar masses and become enriched earlier. This mass dependence causes the observed flattening of the mass--metallicity relation at lower redshifts. The model also reproduces the observed gas-to-stellar mass ratio and its mass dependence. Moreover, we are able to determine that more massive galaxies have earlier gas infall times and shorter infall time-scales, and that the early chemical enrichment of low-mass galaxies is suppressed by strong outflows, while outflows are not very significant in massive galaxies.

연구 동기 및 목표

• 개별 은하에서 별 형성력과 화학적 농도 역사 동시 제약을 위한 방법을 개발하는 것.
• 전통적인 스펙트럼 분해에서의 딜레마를 극복하기 위해 물리적 화학적 진화 모델을 스펙트럼 피팅에 통합하는 것.
• 전체 은하 진화 역사를 제약하기 위해 별 흡수선과 가스 방출선을 모두 활용하는 것.
• 가스 유입 및 외부 유출과 같은 물리적 과정을 통해 관측된 질량-금속 농도 관계와 그 진화를 설명하는 것.
• 관측된 스펙트럼으로부터 은하 진화를 재구성하기 위한 물리적으로 타당하고 자기 일관성 있는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• BIGS 코드 내의 베이지안 추론 프레임워크를 사용하여 관측된 흡수선 스펙트럼을 피팅하면서 반분석 화학적 진화 모델을 통합한다.
• 모델은 가스 유입, 외부 유출 및 별 형성 과정을 포함하며, 유입 timescale과 외부 유출 효율성에 대한 매개변수를 포함한다.
• 방출선 강도는 현재의 기체상 금속 농도와 별 형성률을 제약하며, 이는 모델의 진화를 锚점으로 사용된다.
• 모델은 각 은하별로 코-added된 흡수선 스펙트럼에 피팅되며, 방출선 데이터는 현재 조건에 대한 핵심 제약을 제공한다.
• 복합 별 집단의 정방향 모델링과 물리적 화학적 진화 방정정식을 조합하여 관측 가능한 스펙트럼을 예측한다.
• 이 방법은 100개의 MaNGA 나선파라성 은하에 적용되었으며, 결과는 독립적인 관측 추세와 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 나선파라성 은하에서 별 형성력과 화학적 농도 역사가 어떻게 공진화하는가?
• RQ2 관측된 질량-금속 농도 관계와 그 진화를 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ3 왜 질량이 큰 은하가 낮은 질량의 은하보다 별 형성과 금속 농도를 더 이르게 시작하는가?
• RQ4 가스 유입 및 외부 유출 timescale은 은하 질량에 따라 어떻게 변화하며 화학적 진화에 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 기체-은하 질량 비율과 그 질량 의존성은 어느 정도의 물리적으로 타당한 모델로 재현될 수 있는가?

주요 결과

• 질량이 큰 은하는 더 이른 가스 유입 timescale과 더 짧은 유입 timescale을 가지며, 이로 인해 별 형성과 금속 농도가 더 이르게 시작된다.
• 낮은 질량의 은하에서는 외부 유출이 강력하여 초기 금속 농도 농도가 억제되지만, 질량이 큰 은하에서는 외부 유출가 약해지고 꺼지게 된다.
• 저적색에서 관측된 질량-금속 농도 관계의 평탄함은 질량이 큰 은하에서 더 이르고 빠른 농도 농도로 인해 설명된다.
• 모델은 관측된 기체-은하 질량 비율과 그 질량 의존성을 성공적으로 재현하였으며, 모든 은하가 약 100억 년 전에 유사한 비율에서 출발했다.
• 모델은 질량-금속 농도 관계가 z ~ 0.3까지 느리게 진화하고 고적색에서 급격히 금속 농도가 증가하는 것을 예측하며, 고적색 관측 결과와 일치한다.
• 이 방법은 질량-금속 농도 관계의 진화와 기체 질량 비율의 진화와 같은 독립적인 관측 추세를 재현하여 물리적 일관성을 검증한다.