[论文解读] Chemical Elements at High and Low Redshifts

Max Pettini|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2006

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文综述了利用发射线诊断和吸收系统测量高红移星系及星系间气体中化学丰度的最新进展，追溯从 z ≈ 2.5 到大爆炸的金属生成过程。研究发现，当前观测已解释了星形成至 z = 2.5 所产生总金属量的至少 40%，其余部分可能存在于未被观测到的相态中，如亚-中等金属吸收体（sub-DLAs）、大质量星系以及被遗漏的星族，表明在解决‘缺失金属’问题方面已取得进展。

ABSTRACT

The past few years have seen a steady progress in the determination of element abundances at high redshifts, with new and more accurate measures of metallicities in star-forming galaxies, in QSO absorbers, and in the intergalactic medium. We have also become more aware of the limitations of the tools at our disposal in such endeavours. I summarise these recent developments and--in tune with the theme of this meeting--consider the clues which chemical abundance studies offer to the links between the high redshift galaxy populations and today's galaxies. The new data are `fleshing out' the overall picture of element abundances at redshifts z = 2 - 3 which has been gradually coming into focus over the last decade. In particular, we can now account for at least 40% of the metals produced by the global star formation activity in the universe from the Big Bang to z = 2.5, and we have strong indications of where the remainder are likely to be found.

研究动机与目标

• 评估近期利用发射线和吸收系统测量高红移元素丰度的进展。
• 评估丰度诊断工具（尤其是 N2 指数和温度敏感的电离谱线）的可靠性。
• 确定从 z = 0 到 z = 2.5 期间，观测到的组分（如 Lyman-alpha 森林、DLAs 和紫外选星系）占总金属生成量的比例。
• 识别尚未被解释的剩余金属——可能为‘缺失金属’——在高红移宇宙中的可能位置。
• 通过化学演化建立高红移星系族群与其现今后裔之间的联系。

提出的方法

• 使用发射线诊断方法，如 N2 指数（log[N II]λ6583/Hα），估算 z ≈ 1.5–2.5 高红移星形成星系中的氧丰度。
• 应用对温度敏感的电离谱线（如 [O III]λ4363）校准电子温度，提高金属丰富 H II 区的丰度估算精度。
• 利用大型望远镜和近红外仪器（如 Gemini GNIRS）的光谱数据，探测 z ≈ 2–3 红移下的红移发射线。
• 将紫外选星系（如 BX 样本）的共动体积密度与中值重子质量及金属丰度相结合，估算总金属含量。
• 整合 Lyman-alpha 森林、吸收截面较大的 Lyman-Alpha 系统（DLAs）和亚-DLAs 的贡献，评估全球金属预算。
• 将观测到的金属质量密度与恒星形成历史推导出的总预期值进行比较，识别缺失的金属储库。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前的丰度诊断工具（如 N2 指数）在多大程度上能可靠地估算高红移星系中的氧丰度？
• RQ2 从大爆炸到 z = 2.5 期间，观测到的组分（如 DLA、Lyman-alpha 森林和紫外选星系）占总金属生成量的比例是多少？
• RQ3 未被观测或采样不足的星系族群（如因紫外选星而被遗漏的星系）在整体金属预算中扮演什么角色？
• RQ4 高红移星系中是否存在因标准丰度指标校准偏差而导致的超太阳系金属丰度高估？
• RQ5 剩余的金属——可能为‘缺失金属’——在高红移宇宙中可能位于何处？

主要发现

• 经 Pettini & Pagel (2004) 重新校准后的 N2 指数，为 z ≈ 1.5–2.5 高红移星形成星系中的金属丰度提供了一种稳健且直接的估算方法。
• 对温度敏感的电离谱线表明，R23 指数在高金属丰度下可能高估氧丰度，意味着超太阳系金属丰度的星系可能比以往认为的更稀少。
• 在 z ≈ 2.2 时，紫外选星系的金属含量（中值质量 3.6×10¹⁰ M⊙，金属丰度 ~0.6 Z⊙）对金属预算的贡献为 ΩZ ≈ 8.8×10⁻³。
• 当与 Lyman-alpha 森林和 DLA 的贡献结合后，已解释的金属生成总量达到从 z = 0 到 z = 2.5 总量的约 40%。
• 其余金属可能存在于亚-DLAs、大质量紫外选星系以及因紫外光度选择而被遗漏的星系中，特别是那些在近红外和亚毫米波段巡天中被探测到的星系。
• 高红移星系中质量-金属丰度的相关性表明，质量更大的系统对金属富集的贡献不成比例地更大，提示当前估算可能仍低估了总金属含量。