[论文解读] GMASS Ultradeep Spectroscopy of Galaxies at redshift z~2. I. The stellar metallicity

C. Halliday, E. Daddi+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 72被引用 36

一句话总结

本研究利用75个GMASS巡天星系的叠加光谱中的1978 Å吸收指数，测量了红移z ~ 2时星暴星系的铁丰度星族金属量。结果得到金属量为log(Z/Z☉) = -0.574 ± 0.159，比同质量星系的气相氧丰度低约0.25 dex，表明星系形成早期已出现α元素增强现象。

ABSTRACT

Context: Galaxy metallicities have been measured to redshift z~2 by gas-phase oxygen abundances of the interstellar medium using the R23 and N2 methods. Galaxy stellar metallicities provide crucial data for chemical evolution models but have not been assessed reliably much outside the local Universe. Aims: We determine the iron-abundance, stellar metallicity of star-forming galaxies (SFGs) at redshift z~2, observed as part of the Galaxy Mass Assembly ultra-deep Spectroscopic Survey (GMASS). Methods: We compute the equivalent width of a rest-frame mid-ultraviolet, photospheric absorption-line index, the 1978 index found to vary monotonically with stellar metallicity by Rix and collaborators. We normalise and combine 75 SFG spectra from the GMASS survey to produce a spectrum corresponding to a total integration time 1652.5 hours (and a signal-to-noise ratio ~100 for our 1.5 angstrom binning) of FORS2 spectroscopic observations at the Very Large Telescope. Results: We measure an iron-abundance, stellar metallicity of log (Z/Zsolar) = -0.574+/-0.159 for our spectrum representative of a galaxy of stellar mass 9.4 x 10^9 Msolar assuming a Chabrier IMF. We find that the R04 model SFG spectrum for log (Z/Zsolar) = -0.699 solar metallicity provides the best description of our GMASS coadded spectrum. For similar galaxy stellar mass, our stellar metallicity is ~0.25 dex lower than the oxygen-abundance, gas-phase metallicity quantified by Erb and collaborators for UV-selected star-forming galaxies at z=2. Conclusions: We conclude that we are witnessing the establishment of a light-element overabundance in galaxies as they are being formed at redshift z~2. Our measurements are reminiscent of the alpha-element enhancement seen in low-redshift, galactic bulges and early-type galaxies. (Abridged)

研究动机与目标

• 利用深部光谱测量红移z ~ 2时星形成星系的铁丰度星族金属量。
• 解决宇宙局部以外区域可靠星族金属量测量的缺乏问题。
• 将星族金属量与气相金属量进行比较，以探究化学演化与反馈过程。
• 调查高红移星暴星系中早期α元素增强是否已存在。
• 评估紫外选样中选择效应导致的金属量测量系统性偏差。

提出的方法

• 将GMASS巡天中75个独立星系光谱合并，生成总积分时间为1652.5小时、信噪比S/N ~ 100的叠加光谱。
• 测量1978 Å光球吸收线指数的等效宽度（EW），该指数对Fe III跃迁敏感，并与星族金属量单调相关。
• 使用理论大质量恒星模型（Pauldrach et al. 2001）和Starburst99群体合成代码模拟SED，并将1978 Å指数校准为金属量。
• 应用R04校准法（Rix, Pettini et al. 2004）将1978 Å指数的EW与铁丰度金属量（log(Z/Z☉)）关联。
• 假设采用Chabrier初始质量函数（IMF），并从最佳拟合模型中推导出金属量。
• 将结果与Erb et al. (2006)使用N2方法测得的气相金属量进行比较，以评估差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过1978 Å指数测量，z ~ 2时星形成星系的铁丰度星族金属量是多少？
• RQ2 z ~ 2时星族金属量与Erb et al. (2006)对类似质量星系测得的气相氧丰度相比如何？
• RQ3 紫外选样中的系统性误差偏差在多大程度上影响了测量的星族金属量？
• RQ4 观测到的金属量偏移是否与高红移星暴星系中α元素增强的开始一致？
• RQ5 星族金属量与气相金属量之间的差异能否由反馈驱动的星风或延迟型Ia型超新星富集解释？

主要发现

• 在假设采用Chabrier IMF的前提下，星族质量为9.4 × 10⁹ M☉的星系，测得的铁丰度星族金属量为log(Z/Z☉) = -0.574 ± 0.159。
• R04模型中log(Z/Z☉) = -0.699与叠加的GMASS光谱拟合最佳。
• 星族金属量比Erb et al. (2006)对z ~ 2时类似质量星系测得的气相氧丰度低约0.25 dex。
• 观测到的偏移不太可能完全由星族或气相金属量测量中的系统性误差解释。
• 该结果与局部星系核球和早期型星系中观测到的α元素增强开始一致，表明此类富集在z ~ 2时已开始建立。
• 紫外选样和信噪比限制可能导致测量偏向于更少红化、更少金属的星系，可能低估了真实平均金属量。