[论文解读] Dust, Gas, and Metallicities of Cosmologically Distant Lens Galaxies

Bin Chen, Xinyu Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用 9

一句话总结

本研究分析了10个引力透镜系统的钱德拉X射线数据，以测量高红移透镜星系中的尘埃-气体比、金属丰度及差分吸收。研究发现金属丰度与尘埃-气体比之间存在线性相关性，表明金属-尘埃比值恒定，并揭示在高红移时平均尘埃-气体比（0.54×10⁻²² mag cm² atom⁻¹）较低，表明宇宙金属丰度演化及早期星系中快速的尘埃形成。

ABSTRACT

We homogeneously analyzed the \chandra\ X-ray observations of 10 gravitational lenses, HE 0047-1756, QJ 0158-4325, SDSS 0246-0805, HE 0435-1223, SDSS 0924+0219, SDSS 1004+4112, HE 1104-1805, PG 1115+080, Q 1355-2257, and Q 2237+0305, to measure the differential X-ray absorption between images, the metallicity, and the dust-to-gas ratio of the lens galaxies. We detected differential absorption in all lenses except SDSS 0924+0219 and HE 1104-1805. This doubles the sample of dust-to-gas ratio measurements in cosmologically distant lens galaxies. We successfully measured the gas phase metallicity of three lenses, Q 2237+0305, SDSS 1004+4112, and B 1152+199 from the X-ray spectra. Our results suggest a linear correlation between metallicity and dust-to-gas ratio (i.e., a constant metal-to-dust ratio), consistent with what is found for nearby galaxies. We obtain an average dust-to-gas ratio $E(B-V)/N_H=1.17^{+0.41}_{-0.31} imes 10^{-22} m mag\,cm^2\,atom^{-1}$ in the lens galaxies, with an intrinsic scatter of $ m0.3\,dex$. Combining these results with data from GRB afterglows and quasar foreground absorbers, we found a mean dust-to-gas ratio $\mdtg,$ now significantly lower than the average Galactic value, $1.7\, imes 10^{-22}\, m mag\, cm^{2}\, atoms^{-1}.$ This suggests evolution of dust-to-gas ratios with redshift and lower average metallicities for the higher redshift galaxies, consistent with current metal and dust evolution models of interstellar medium. The slow evolution in the metal-to-dust ratio with redshift implies very rapid dust formation in high redshift ($z>2$) galaxies.

研究动机与目标

• 利用同一背景类星体多个像之间的X射线吸收差异，测量高红移透镜星系中的尘埃-气体比和金属丰度。
• 检验金属-尘埃比值在宇宙时空中保持恒定的假设，如在银河系和邻近星系中所观测到的那样。
• 研究尘埃-气体比是否随红移演化，从而为星际介质演化及早期星系中尘埃形成 timescales 提供约束。
• 结合透镜数据与伽马射电暴余晖及类星体DLA测量，推导出稳健的、红移相关的平均尘埃-气体比。

提出的方法

• 利用钱德拉X射线望远镜对10个引力透镜系统进行观测，检测同一背景类星体多个像之间的差分X射线吸收。
• 通过拟合X射线谱，推导出中性氢柱密度（N_H）和E(B-V)消光，从而计算尘埃-气体比E(B-V)/N_H。
• 通过X射线谱分析测量了三个透镜星系（Q 2237+0305、SDSS 1004+4112、B 1152+199）的气相金属丰度。
• 将透镜数据与12个伽马射电暴和5个类星体DLA系统的现有测量结果结合，计算红移相关的平均尘埃-气体比。
• 应用金属丰度与尘埃-气体比之间的线性相关性模型，推断金属-尘埃比值在不同红移下的一致性。
• 使用固有离散度建模评估尘埃-气体比的变异性，并将结果与银河系及本地ISM值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移透镜星系中，金属丰度与尘埃-气体比之间是否存在线性相关性，如在银河系中所见？
• RQ2 宇宙距离的透镜星系（z < 1）中的平均尘埃-气体比是多少，与银河系值相比如何？
• RQ3 尘埃-气体比是否随红移演化，如果是，这对早期星系的金属丰度演化意味着什么？
• RQ4 从透镜类星体推导出的尘埃-气体比与高红移（z > 2）的伽马射电暴余晖和类星体DLA系统中的结果相比如何？
• RQ5 所观测到的尘埃-气体比演化对高红移星系中尘埃形成 timescale 提供了何种启示？

主要发现

• 在10个透镜系统中的8个中检测到差分X射线吸收，证实了透镜星系中存在显著的尘埃消光。
• 在高红移星系中发现金属丰度与尘埃-气体比之间存在线性相关性，与宇宙时空中金属-尘埃比值恒定一致。
• 透镜星系（z < 1）中的平均尘埃-气体比为1.17⁺⁰.⁴¹₋₀.³¹ × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹，固有离散度为0.3 dex，低于银河系值1.7 × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹。
• 当与伽马射电暴和DLA数据结合时，高红移星系（z ≳ 2）的平均尘埃-气体比为0.54⁺⁰.¹⁹₋₀.¹⁴ × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹，显著低于银河系值，显著性达6.8σ。
• 高红移时尘埃-气体比较低，意味着平均金属丰度随红移增加而下降，支持宇宙金属丰度演化模型。
• 结果表明高红移星系（z > 2）中尘埃形成极为迅速，与近期伽马射电暴余晖研究的发现一致。