[论文解读] Evolution of the Mass-Metallicity Relation from Redshift $z\approx8$ to the Local Universe

Danial Langeroodi, J. Hjorth+18 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 136被引用 8

一句话总结

本研究利用JWST对引力透镜星系的观测数据，首次对红移$z \approx 8$时的质量-金属丰度关系（MZR）进行了定量测量。结果发现，与本地宇宙相比，$z \approx 8$时金属丰度的归一化值低约0.9 dex，表明该早期宇宙时期星系的化学富集程度仅为本地星系的八分之一，与FIRE模拟结果一致，揭示了早期快速化学富集过程。

ABSTRACT

A tight positive correlation between the stellar mass and the gas-phase metallicity of galaxies has been observed at low redshifts. The redshift evolution of this correlation can strongly constrain theories of galaxy evolution. The advent of JWST allows probing the mass-metallicity relation at redshifts far beyond what was previously accessible. Here we report the discovery of two emission-line galaxies at redshifts 8.15 and 8.16 in JWST NIRCam imaging and NIRSpec spectroscopy of targets gravitationally lensed by the cluster RXJ2129.4$+$0005. We measure their metallicities and stellar masses along with nine additional galaxies at $7.2 < z_{ m spec} < 9.5$ to report the first quantitative statistical inference of the mass-metallicity relation at $z\approx8$. We measure $\sim 0.9$ dex evolution in the normalization of the mass-metallicity relation from $z \approx 8$ to the local Universe; at fixed stellar mass, galaxies are 8 times less metal enriched at $z \approx 8$ compared to the present day. Our inferred normalization is in agreement with the predictions of the FIRE simulations. Our inferred slope of the mass-metallicity relation is similar to or slightly shallower than that predicted by FIRE or observed at lower redshifts. We compare the $z \approx 8$ galaxies to extremely low metallicity analog candidates in the local Universe, finding that they are generally distinct from extreme emission-line galaxies or "green peas" but are similar in strong emission-line ratios and metallicities to "blueberry galaxies". Despite this similarity, at fixed stellar mass, the $z \approx 8$ galaxies have systematically lower metallicities compared to blueberry galaxies.

研究动机与目标

• 测量此前难以通过统计推断获得的$z \approx 8$红移区段的质量-金属丰度关系（MZR）。
• 通过量化$z \approx 8$时的金属丰度归一化值与斜率，约束星系化学富集的红移演化。
• 基于发射线诊断与MZR位置，将高红移星系与本地类似星系（如蓝莓星系和绿豌豆星系）进行比较。
• 检验当前星系演化模拟（尤其是FIRE）是否能准确预测早期宇宙时期的MZR。

提出的方法

• 利用JWST的NIRCam成像与NIRSpec光谱数据，对RX J2129.4 +0005星系团中的引力透镜星系进行高红移发射线星系的探测与分析。
• 通过Prospector代码进行光谱能量分布（SED）拟合，结合发射线比值诊断法（如O32、R23），测量恒星质量与气体相金属丰度。
• 采用Bayesian推断方法，结合dynesty与EMCEE，推导MZR参数（包括归一化值与斜率）的后验分布。
• 利用Zitrin参数化透镜模型与glafic，校正强引力透镜放大效应，并重建源平面属性。
• 将观测到的发射线比值（如[O III]/H$\beta$、[O II]/H$\beta$）与本地类似星系进行比较，识别形态与化学特性上的相似性。
• 通过将$z \approx 8$的测量结果与Sanders等人（2021）提供的本地（$z \approx 0$）、$z \approx 2.3$与$z \approx 3.3$的数据进行对比，约束MZR的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$z \approx 8$时，质量-金属丰度关系的归一化值与斜率是多少？与本地宇宙相比有何差异？
• RQ2 星系在大爆炸后最初几亿年内，其星际介质的化学富集速度如何？
• RQ3 $z \approx 8$的发射线星系在化学与形态学上是否与本地极端发射线星系（如蓝莓星系或绿豌豆星系）相似？
• RQ4 观测到的$z \approx 8$时MZR演化是否与FIRE宇宙学模拟的预测一致？
• RQ5 从$z \approx 8$到$z \approx 0$的金属丰度演化过程是怎样的？这对早期星系化学富集有何启示？

主要发现

• 在$z \approx 8$时，质量-金属丰度关系的归一化值比$z \approx 0$时低约0.9 dex，表明$z \approx 8$的星系其金属丰度约为本地星系的八分之一。
• 推断得到的$z \approx 8$时MZR斜率为$\gamma_{\text{g}} = 0.24$，略浅于低红移观测值$\gamma_{\text{g}} = 0.3$，也略浅于FIRE模拟预测值$\gamma_{\text{g}} = 0.35$，但所有值均在$1\sigma$不确定性范围内。
• $z \approx 8$的星系表现出与蓝莓星系相似的发射线比值，但在固定恒星质量下金属丰度系统性更低，与本地类似星系存在差异。
• 观测到的从$z \approx 8$到$z \approx 0$的MZR演化与FIRE模拟一致，$z \approx 8$时的归一化值与预测值相差仅0.01 dex以内。
• 数据表明存在极为迅速的化学富集阶段：在$z \approx 8$时，星系总金属丰度的超过10%在不到450 Myr内完成，约占其总寿命的<3.5%。
• $z \approx 8$的星系在发射线诊断上与极端发射线星系（如绿豌豆星系）不同，更类似于蓝莓星系，但在固定质量下仍系统性地更贫金属。