[论文解读] Chemically consistent evolution of galaxies: II. Spectrophotometric evolution from zero to high redshift

Jens Bicker, U. Fritze–v. Alvensleben+2 more|GoeScholar The Publication Server of the Georg-August-Universität Göttingen (Georg-August-Universität Göttingen)|Sep 25, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 43被引用 31

一句话总结

本文提出了从E型到Sd型星系的化学一致性演化合成模型，从z ≈ 5至现今，结合了金属度依赖的恒星等深线、产物和光谱，模拟了紫外至近红外波段的光谱测光演化。模型显示，包含亚太阳金属度显著改变了星系的亮度与颜色演化——在z ≈ 2.5时，椭圆星系显得更暗淡，而螺旋星系在z > 2时显得更明亮，从而改善了与哈勃深空场等高红移观测数据的一致性。

ABSTRACT

We present a new generation of chemically consistent evolutionary synthesis models for galaxies of various spectral types from E through Sd. The models follow the chemical enrichment of the ISM and take into account the increasing initial metallicity of successive stellar generations using recently published metallicity dependent stellar evolutionary isochrones, spectra and yields. Our first set of closed-box 1-zone models does not include any spatial resolution or dynamics. For a Salpeter initial mass function (IMF) the star formation rate(SFR) and its time evolution are shown to successfully parameterise spectral galaxy types E, ..., Sd. We show how the stellar metallicity distribution in various galaxy types build up with time to yield after $\sim 12$ Gyr agreement with stellar metallicity distributions observed in our and other local galaxies. The models give integrated galaxy spectra over a wide wavelength range (90.9Å- 160$μ$m), which for ages of $\sim 12$ Gyr are in good agreement not only with observed broad band colours but also with template spectra for the respective galaxy types. Using filter functions for Johnson-Cousins, as well as for HST broad band filters in the optical and Bessel & Brett's NIR filter system, we calculate the luminosity and colour evolution of model galaxies over a Hubble time. Including a standard cosmological model and the attenuation by intergalactic hydrogen we present evolutionary and cosmological corrections as well as apparent luminosities in various filters over the redshift range from z $\sim 5$ to the present for our galaxy types and compare to earlier models using single (=solar) metallicity input physics only. We also present a first comparison of our cc models to HDF data.(Abridged abstract)

研究动机与目标

• 开发一种化学一致的演化合成模型，能够追踪恒星群体金属度与星际介质（ISM）随时间的富集过程。
• 解决现有模型仅假设太阳金属度恒星群体的局限性，这些模型无法再现本地星系中观测到的低金属度恒星分布。
• 生成覆盖紫外至近红外波段（90.9 Å – 160 μm）的光谱测光模型，使其与不同星系类型观测到的星系模板光谱和宽带颜色相匹配。
• 为E至Sd型星系在红移z ≈ 5至0的范围内提供演化与宇宙学修正、视星等与k校正。
• 通过将化学演化与光谱合成相结合，实现对高红移星系数据（包括莱曼断裂星系与衰减莱曼α吸收体）的一致性解释。

提出的方法

• 模型采用封闭盒、单区方法，时间依赖的恒星形成历史（SFHs）参数化以匹配E至Sd型星系。
• 恒星演化使用近期文献中提供的金属度依赖等深线、光谱与核合成产物进行建模。
• 自洽计算星际介质金属度与亮度加权恒星金属度的时间演化，反映金属度分布随时间的累积。
• 从90.9 Å至160 μm计算光谱能量分布（SEDs），支持与任意滤波函数响应的直接卷积。
• 宇宙学修正使用H₀ = 65 km s⁻¹ Mpc⁻¹与Ω₀ = 0.1，同时包含星际氢的消光效应。
• 通过将综合SED与本地星系的模板光谱及宽带测光进行比较，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 化学一致模型中包含亚太阳金属度时，对从z ≈ 5至现今星系预测的亮度与颜色演化有何影响？
• RQ2 包含真实金属度分布的模型在多大程度上能再现E型、Sa型与Sd型星系的观测综合光谱与宽带颜色？
• RQ3 与仅假设太阳金属度恒星的模型相比，包含亚太阳金属度时，演化与宇宙学修正有何不同？
• RQ4 该模型能否在亮度、颜色与恒星形成率方面重现哈勃深空场星系的红移演化特征？
• RQ5 预测的SED与星等与莱曼断裂星系及衰减莱曼α吸收体的观测数据相比如何？

主要发现

• 经过约120亿年的演化，模型重现了本地星系中观测到的恒星金属度分布，包括E型与Sd型星系中宽而低的金属度尾部。
• 在化学一致模型中，椭圆星系在z ≈ 2.5时比太阳金属度模型中显得显著更暗淡，降低了其在星等限制调查中的预期数量。
• 在化学一致模型中，晚期型螺旋星系（Sd型）在z > 2时比太阳金属度模型中更明亮，从而提高了其在高红移调查中的可探测性。
• 模型生成的从90.9 Å至160 μm的综合SED与E型、Sa型与Sd型星系在全波段范围内的观测模板光谱及宽带颜色高度匹配。
• 不同测光波段中亮度加权金属度的时间演化与从综合星系光中金属敏感吸收特征推断的金属度一致。
• 与哈勃深空场数据的初步比较显示，模型预测与观测的光度红移、光度与恒星形成率在z ≈ 0.5至z > 4范围内具有良好的一致性。