[论文解读] Evolution of the Stellar Mass-Metallicity Relation Since z=0.75

John Moustakas, Dennis Zaritsky+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 29

一句话总结

本研究利用AGES巡天和SDSS的光学谱测光数据，测量了从z=0.05到z=0.75的星系中恒星质量-金属量（M-Z）关系的演化。结果表明，在z≈0.7时，星系的金属量仅为同质量本地星系的30–60%，且不存在显著的质量依赖性演化——表明M-Z关系仅发生红移依赖的平移，形状保持不变。

ABSTRACT

We measure the gas-phase oxygen abundances of ~3000 star-forming galaxies at z=0.05-0.75 using optical spectrophotometry from the AGN and Galaxy Evolution Survey (AGES), a spectroscopic survey of I_AB<20.45 galaxies over 7.9 deg^2 in the NOAO Deep Wide Field Survey (NDWFS) Bootes field. We use state-of-the-art techniques to measure the nebular emission lines and stellar masses, and explore and quantify several potential sources of systematic error, including the choice of metallicity diagnostic, aperture bias, and contamination from unidentified active galactic nuclei (AGN). Combining volume-limited AGES samples in six independent redshift bins and ~75,000 star-forming galaxies with r_AB<17.6 at z=0.05-0.2 selected from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) that we analyze in the identical manner, we measure the evolution of the stellar mass-metallicity (M-Z) between z=0.05 and z=0.75. We find that at fixed stellar mass galaxies at z~0.7 have just 30%-60% the metal content of galaxies at the present epoch, where the uncertainty is dominated by the strong-line method used to measure the metallicity. Moreover, we find no statistically significant evidence that the M-Z relation evolves in a mass-dependent way for M=10^9.8-10^11 Msun star-forming galaxies. Thus, for this range of redshifts and stellar masses the M-Z relation simply shifts toward lower metallicity with increasing redshift without changing its shape.

研究动机与目标

• 测量星系在宇宙时空中恒星质量-金属量（M-Z）关系的演化。
• 量化系统误差（如金属量诊断方法选择、孔径效应和活动星系核污染）对M-Z测量的影响。
• 检验M-Z关系在z=0.05–0.75范围内是否以质量依赖的方式演化。
• 将AGES巡天在高红移的观测结果与SDSS在低红移的相同分析进行对比，以确保一致性。
• 提出一种物理解释性强、非多项式形式的M-Z关系函数表达式，避免出现不合理的转折点。

提出的方法

• 测量AGES巡天在室女座场中z=0.05–0.75的3,000个星系形成星系的激态发射线（Hα, Hβ, [O ii], [O iii], [N ii], [S ii]）。
• 采用先进的线流量测量技术，并对系统不确定性的误差预算进行仔细处理。
• 使用强线校准方法（M91和T04）通过发射线比值推导出气相氧丰度（12+log(O/H)）。
• 在六个红移区间构建体积有限样本，以最小化选择效应并实现稳健比较。
• 对约75,000个z=0.05–0.2的SDSS星系应用相同的分析流程，以锚定本地M-Z关系。
• 提出一种新的M-Z关系函数形式：12+log(O/H) = 12+log(O/H)* − log[1 + (M*/10⁹ M☉)^γ]，其物理解释基于封闭盒化学演化模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 从z≈0.75至今，恒星质量-金属量（M-Z）关系如何演化？
• RQ2 在高红移时，系统误差（如金属量诊断方法选择、孔径效应和活动星系核污染）在多大程度上影响M-Z测量？
• RQ3 不同恒星质量的星系中，M-Z关系是否以不同方式演化，还是仅随红移发生统一平移？
• RQ4 是否可通过物理解释性强的函数形式避免多项式拟合中出现的不合理的转折点？
• RQ5 在z=0.05–0.75的红移范围内，是否存在M-Z关系的质量依赖性演化证据？

主要发现

• 在z≈0.7时，星系的金属量仅为同质量本地星系的30–60%，表明气相金属量存在强烈演化。
• 在恒星质量介于10⁹.⁸至10¹¹ M☉之间的星系中，M-Z关系未表现出统计上显著的质量依赖性演化。
• 高红移时的M-Z关系可由仅随红移变化的简单平移准确描述，且形状不变，与普遍演化趋势一致。
• 金属量演化的不确定性主要源于强线校准方法的选择，尤其是M91方法。
• 所提出的M-Z关系函数形式避免了不合理的转折点，更准确地反映了金属量随质量单调增加的预期趋势。
• 结果支持一种M-Z关系随红移均匀演化的场景，可能由宇宙时空中持续吸积和反馈导致的气体金属量降低所驱动。