[论文解读] Direct T_e-based Metallicities of z=2-9 Galaxies with JWST/NIRSpec: Empirical Metallicity Calibrations Applicable from Reionization to Cosmic Noon

Ryan L. Sanders, Alice E. Shapley+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 20

一句话总结

本文展示了在大样本的 JWST/NIRSpec 中检测 [O iii]4364 角谱线，推导基于 Te 的金属量，并构建了第一批适用于从重离子化到宇宙中午的高红移经验标定，用于强线比值。

ABSTRACT

We report detections of the [OIII]$λ$4364 auroral emission line for 16 galaxies at z=2.1-8.7, measured from JWST/NIRSpec observations obtained as part of the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey program. We combine this CEERS sample with 9 objects from the literature at z=4-9 with auroral-line detections from JWST/NIRSpec and 21 galaxies at z=1.4-3.7 with auroral-line detections from ground-based spectroscopy. We derive electron temperature T_e and direct-method oxygen abundances for the combined sample of 46 star-forming galaxies at z=1.4-8.7. We use these measurements to construct the first high-redshift empirical T_e-based metallicity calibrations for the strong-line ratios [OIII]/H$β$, [OII]/H$β$, R23=([OIII]+[OII])/H$β$, [OIII]/[OII], and [NeIII]/[OII]. These new calibrations are valid over 12+log(O/H)=7.0-8.4 and can be applied to samples of star-forming galaxies at z=2-9, leading to an improvement in the accuracy of metallicity determinations at Cosmic Noon and in the Epoch of Reionization. The high-redshift strong-line relations are offset from calibrations based on typical $z\sim0$ galaxies or HII regions, reflecting the known evolution of ionization conditions between $z\sim0$ and $z\sim2$. Deep spectroscopic programs with JWST/NIRSpec promise to improve statistics at the low and high ends of the metallicity range covered by the current sample, as well as improve the detection rate of [NII]$λ$6585 to allow the future assessment of N-based indicators. These new high-redshift calibrations will enable accurate characterizations of metallicity scaling relations at high redshift, improving our understanding of feedback and baryon cycling in the early universe.

研究动机与目标

• 在整个宇宙历史中稳健地测量气相金属丰度，以理解气体流动和重子循环。
• 使用 JWST 的发射线角线提供相当规模的高红移样本的直接法金属量。
• 开发将原地光学强线比与 Te 基 O/H 相关的经验标定，在高红移情形下。

提出的方法

• 在 JWST/NIRSpec CEERS 数据中检测 [O iii]4364 角线以获得 Te 和直接 O/H。
• 结合 JWST 文献和地面观测的角线样本，汇集 z=1.4-8.7 的 46 个星系。
• 由 [O iii]4364/[O iii]5008（或 1666/5008）计算电子温度 Te，由 [S ii] 给出电子密度 ne。
• 直接计算 O/H，并拟合强线比（O3, O2, R23, O32, Ne3O2）与 Te 基 O/H 的经验关系。
• 提供在 12+log(O/H)=7.0–8.4 范围内适用的标定，供 z=2-9 的样本使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 高-redshift 星系是否可以利用 JWST/NIRSpec 角线获得可靠的 Te 基金属量？
• RQ2 在高红移下 Te 基 O/H 与常见原地光学强线比之间的经验关系是什么？
• RQ3 在 ISM 条件演化下，高-z 标定与本地标定有何差异？
• RQ4 是否可以将统一的高-z 标定从 Cosmic Noon 延伸到 Epoch of Reionization（z~9）？

主要发现

• 为覆盖 z=1.4-8.7 的 46 个星形成星系的组合样本检测到 Te 基金属量。
• 在 12+log(O/H)=7.0-8.4 的金属量范围内，构建了高-redshift 的 O3/Hβ、O2/Hβ、R23、O3O2、 Ne3O2 的经验标定。
• 高-redshift 的强线关系偏离于 z~0 的标定，反映 ISM 电离条件的演化。
• 标定适用于 z=2-9，可以改善 Cosmic Noon 与 Epoch of Reionization 期间的金属量测定。
• 高 z 的 ISM 显示出更硬的电离光谱和更高的电子密度，与需要特定于红移的标定相一致。
• 未来的 JWST 项目有望提高统计量并使对基于 N 的指示器的评估成为可能。