[論文レビュー] The extension of the Fundamental Metallicity Relation beyond the BPT star-forming sequence: evidence for both gas accretion and starvation

Nimisha Kumari, R. Maiolino+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 103被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、新たにキャリブレーションされた中性ガス線分光診断を用いて、星形成を示さない銀河（BPT-non-SF）、特に静止状態およびLI(N)ER/AGN支配のシステムを含めた、基本金属量関係（FMR）の拡張を試みた。その結果、マグニチュードシーケンス（MS）より高い星形成率（SFR）を示す銀河はガスの降着により金属量が希釈され金属が貧困であるのに対し、MSより低いSFRの低質量銀河は栄養欠乏（starvation）により金属が豊富であることが示された。また、巨大な静止銀河では、星形成が停止しているにもかかわらず、最近のガス降着により金属量が著しく低いことが判明した。

ABSTRACT

Context. The fundamental metallicity relation (FMR) of galaxies is a 3D relation between the gas-phase metallicity, stellar mass, and star-formation rate (SFR). So far, it has only been studied for galaxies identified as star forming (SF) on the BPT diagrams (BPT-SF), but not for galaxies with LI(N)ER/AGN classification (BPT-non-SF), mainly because of the lack of diagnostics for estimating their gas-phase metallicities in the latter cases. Aims. We extend the FMR to BPT-non-SF galaxies. Methods. To this end, we exploit the recent nebular line empirical calibrations derived specifically for galaxies classified as non-SF in the BPT diagrams. Moreover, we study an alternative representation of the FMR where we consider the offsets in metallicity and SFR with respect to main sequence (MS) galaxies. Results. We find that galaxies with SFR higher than the MS are more metal-poor than their counterparts on the MS, which is interpreted in terms of gas accretion boosting star formation and diluting the metallicity. Low-mass galaxies below the MS (i.e.Towards quiescence) have higher metallicities than their MS counterparts, which is interpreted in terms of starvation (i.e. suppression of fresh gas supply) hampering star formation and reducing the dilution effect, hence resulting in a higher level of internal chemical enrichment. Massive galaxies below the MS have a gas metallicity that is much closer to their MS counterparts and much lower than expected from their stellar metallicities; this result suggests a scenario where massive nearly quiescent galaxies with LI(N)ER-like nebular emission have recently accreted gas from the circum/intergalactic medium.

研究の動機と目的

• 星形成銀河にとどまらず、静止状態およびLI(N)ER/AGN支配のシステムを含むBPT-non-SF銀河へ、基本金属量関係（FMR）を拡張すること。
• 星形成を示さない銀河に対して信頼できるガス相金属量診断法が不足していたことへの対処。これは、FMRの応用をこれまで制限していた。
• マスおよびSFRの異なる領域において、金属量のずれを引き起こす物理的メカニズム（ガス降着と栄養欠乏）を解明すること。
• 特に巨大銀河において顕著な、星の金属量とガス相金属量の乖離を解明すること。
• 銀河の化学的進化を、停止・再活性化の段階を含めて統合的に理解するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 星形成を示さない銀河（LI(N)ER/AGN）に特化した最新の実験的キャリブレーションを用い、ガス相金属量を推定する。
• 銀河の星質量（M⋆）、星形成率（SFR）、ガス相金属量（12+log(O/H)）を用いた3次元関係としてFMRフレームワークを適用し、BPT-non-SF銀河へ拡張する。
• マグニチュードシーケンス（MS）銀河との比較において、SFRおよび金属量のずれを定義することで、進化の影響をスケーリング関係から分離する。
• SDSS DR7のアーカイブデータを用い、BPT分類により星形成銀河と非星形成銀河を分離。可視な中性ガス放出を示す銀河に焦点を当てる。
• 観測されたガス相金属量を、星の金属量とガス降着・栄養欠乏の理論的モデルの予測と比較する。
• 最近の研究（例：Curti et al. 2020）を参照し、金属量キャリブレーションおよびSFR推定における系的不確実性を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BPT図で非星形成と分類される銀河へ、基本金属量関係（FMR）を意味的に拡張できるか？
• RQ2 特に非星形成銀河において、マグニチュードシーケンス（MS）より上または下にある銀河の金属量のずれを引き起こす物理的プロセスは何か？
• RQ3 巨大な静止銀河は、星の金属量がはるかに高いにもかかわらず、なぜガス相金属量がMSに近い値を示すのか？
• RQ4 ガス降着と栄養欠乏は、マスが小さくもしくは大きな銀河がMSから逸脱する際の観測された金属量の傾向をどの程度説明できるか？
• RQ5 静止銀河における星の金属量とガス相金属量の乖離は、最近のガス降着および停止プロセスの理解にどのように寄与するか？

主な発見

• マグニチュードシーケンス（MS）より高いSFRを示す銀河は、MSの同様の銀河と比較して金属量が低く、これは星形成を促進する最近のガス降着による希釈を示している。
• MSより低いSFRを示す低質量銀河（静止状態に近い）は、MS銀河よりもガス相金属量が高いことが確認され、流入が抑制された栄養欠乏による停止メカニズムが支持された。
• MSより低いSFRを示す巨大銀河では、ガス相金属量が予想よりもMSに近い値を示す一方で、星の金属量は顕著に高い。これは、周囲・銀河間空間からの最近のガス降着を示唆している。
• これらの巨大で静止した銀河における観測されたガス相金属量は、星の金属量に比べて著しく低いことが判明し、降着したガスが母銀河の星の集団よりも金属量が低い可能性を示唆している。
• 質量範囲 8 < log(M⋆/M⊙) < 9 でSFRがマグニチュードシーケンス（MS）を下回る銀河の約78%が正の金属量ずれを示しており、これは矮星銀河では栄養欠乏が降着を上回ることが示唆されている。
• FMRの拡張により、非星形成銀河は均質な集団ではないことが明らかになった。ガス降着、栄養欠乏、および進化した星による降着後のイオン化が、それぞれ異なる方法で化学的性質を形作っている。