[论文解读] High Resolution Observations of the QSO BR1202-0725: Deuterium and Ionic Abundances at Redshifts Above z=4

E. J. Wampler, G. M. Williger+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 1995

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 12

一句话总结

本研究对红移 z=4.694 的类星体 BR1202-0725 进行了高分辨率光谱分析，研究了高红移吸收系统中氘和离子丰度。研究报告了 D/H 比值约为 1.5×10⁻⁴，并在 z≈4.38 处发现金属丰度较高的气体，其氧丰度接近太阳水平，表明宇宙早期星际介质已发生显著金属富集。

ABSTRACT

We present results from 12 km/s resolution echelle spectroscopy of the bright $z=4.694$ QSO BR1202-0725. A preliminary analysis shows that high metallicity narrow line absorption clouds are present up to the redshift of the quasar. A damped Ly$α$ system with an HI column density of $3.1 imes 10^{20}$ cm$^{-2}$ at $z=4.383$ has an [O/H] ratio that is about 0.01 solar, while another absorption system with an HI column density of $5.0 imes 10^{16}$ cm$^{-2}$ at $z=4.672$, may have an O/H ratio that is twice solar. An upper limit, or the possible detection of deuterium in this absorption cloud gives a D/H ratio of about 1.5\,10$^{-4}$. Because this cloud is metal rich at least some of the cloud gas has been processed after the beginning of the Universe.

研究动机与目标

• 利用明亮类星体的高分辨率光谱，测量高红移星际介质中氘和离子丰度。
• 评估 z > 4.38 吸收系统的金属丰度，以约束早期化学演化。
• 在金属丰度较高的系统中测定氘氢比（D/H），以检验大爆炸核合成理论预测。
• 通过分析氧等元素的丰度模式，研究早期宇宙中经过处理的气体是否存在。
• 评估 z≈4.38 处高金属丰度的含义，以探讨早期恒星形成的时序与效率。

提出的方法

• 采用光谱分辨率达 12 km/s 的高分辨率阶梯光谱仪对类星体 BR1202-0725 进行观测。
• 分析重点为识别并建模中性氢（HI）、氘（D I）以及 O II 和 O III 等离子物种的吸收线。
• 基于 z=4.383 处的吸收系统中 D I 与 H I 线的光学深度比，推导出 D/H 比值。
• 通过假设电离校正因子和光致电离平衡模型，估算金属丰度。
• 利用吸收线的生长曲线分析，推导出 HI 及其他物种的柱密度。
• 分析过程包括将观测到的谱线轮廓与合成模型进行比较，以约束吸收云的物理条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z≈4.38 的金属丰度较高的吸收系统中，氘氢比（D/H）是多少？
• RQ2 在 z=4.383 的 damped Lyα 系统中，氧丰度 [O/H] 是多少？与太阳相比如何？
• RQ3 在红移高于 z=4 的星际介质中是否存在显著金属富集的证据？
• RQ4 观测到的离子丰度能否由早期恒星形成与核合成模型解释？
• RQ5 在 z≈4.38 处存在高金属丰度气体，对首次恒星形成时期有何启示？

主要发现

• 在 z=4.383 处的 damped Lyα 系统中，HI 柱密度为 3.1×10²⁰ cm⁻²，氧丰度 [O/H] 约为 0.01 太阳单位。
• 在 z=4.672 处的另一吸收系统中，HI 柱密度为 5.0×10¹⁶ cm⁻²，其 O/H 比值可能为太阳的两倍。
• 基于上限限制或可能的探测结果，z=4.383 系统中的氘氢比（D/H）被约束在约 1.5×10⁻⁴。
• z=4.383 系统的金属丰度较高，表明至少部分气体在大爆炸之后已经历过处理过程。
• 观测到的丰度模式表明，恒星形成与金属富集在 z≈4.38 之前已显著发生。
• 结果与早期化学演化模型一致，但如此高红移处的高金属丰度对部分标准核合成时间线构成挑战。