[论文解读] MASSIV: Mass Assembly Survey with SINFONI in VVDS. III. Evidence for positive metallicity gradients in z~1.2 star-forming galaxies

J. Queyrel, T. Contini+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用 83

一句话总结

本研究利用 MASSIV 巡天中 50 个 z~1.2 星系的星空间分辨 SINFONI 光谱，通过 N2 比值测量金属丰度梯度。研究发现，样本中 14% 的星系（7 个）表现出显著的正金属丰度梯度——金属丰度从中心向外增加，表明存在富含金属的贫金属气体内流，可能由相互作用或冷气体吸积驱动，挑战了本地星系中常见的负梯度现象。

ABSTRACT

A key open issue for galaxy evolution and formation models is the understanding of the different mechanisms of galaxy assembly at various cosmic epochs. The aim of this study is to derive the global and spatially-resolved metal content in high-redshift galaxies. Using VLT/SINFONI IFU spectroscopy of a first sample of 50 galaxies at z~1.2 in the MASSIV survey, we are able to measure the Ha and [NII]6584 emission lines. Using the N2 ratio as a proxy for oxygen abundance in the interstellar medium, we measure the metallicity of the sample galaxies. We develop a tool to extract spectra in annular regions of these galaxies, leading to a spatially-resolved estimate of the oxygen abundance in each galaxy. We derive a metallicity gradient for 26 galaxies in our sample and discover a significant fraction of galaxies with a "positive" gradient. Using a simple chemical evolution model, we derive infall rates of pristine gas onto the disks. Seven galaxies display a positive gradient at a high confidence level. Four out of these are interacting and one is a chain galaxy. We suggest that interactions might be responsible for shallowing and even inverting the abundance gradient. We also identify two interesting correlations in our sample: a) galaxies with higher gas velocity dispersion have shallower/positive gradients; and b) metal-poor galaxies tend to show a positive gradient whereas metal-rich ones tend to show a negative one. This last observation can be explained by the infall of metal-poor gas into the center of the disks. We address the question of the origin of this infall under the influence of gas flows triggered by interactions and/or cold gas accretion.

研究动机与目标

• 利用积分场光谱法测量 z~1.2 高红移星形成星系的空间分辨金属丰度梯度。
• 在星系形成与演化机制的背景下，探讨金属丰度梯度的成因。
• 探讨相互作用与气体内流在塑造高红移盘星系金属丰度分布中的作用。
• 利用简单的化学演化模型检验气体内流对金属丰度梯度的影响。
• 检查金属丰度梯度与整体金属丰度、动力学特性（如气体速度弥散度）之间的相关性。

提出的方法

• 在 MASSIV 巡天中获取了 50 个 z~1.2 星系的 VLT/SINFONI 积分场光谱，以提取 Hα 和 [N ii]6584 发射线。
• 使用 N2 比值（log([N ii]6584/Hα)）作为星际介质中氧丰度的代理指标。
• 开发了一种光谱提取工具，通过将星系划分为以 Hα 峰为中心的环形区域，获得径向金属丰度分布。
• 应用包含径向气体流动的简单化学演化模型，估算原始气体向星系盘面的内流速率。
• 将金属丰度梯度与整体金属丰度、气体速度弥散度及形态分类（如孤立星系与相互作用星系）进行相关性分析。
• 使用统计分析识别出具有高置信度正梯度的星系，并评估其物理意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 z~1.2 星形成星系的金属丰度梯度分布如何？与本地星系相比有何差异？
• RQ2 何种物理机制（如相互作用或冷气体吸积）可解释高红移星系中正金属丰度梯度的存在？
• RQ3 星系的整体金属丰度与金属丰度梯度的符号和陡度之间存在何种相关性？
• RQ4 动力学特性（如气体速度弥散度）与金属丰度梯度形态的相关性有多大？
• RQ5 观测到的金属丰度梯度是否可由贫金属气体内流解释？其内流速率的推断值是多少？

主要发现

• 样本中 7 个星系以高置信度表现出正金属丰度梯度，占 50 个星系样本的 14%。
• 7 个具有正梯度的星系中，有 4 个被分类为相互作用系统，另有 1 个为链状星系，表明相互作用可能驱动或增强正梯度。
• 气体速度弥散度较高的星系倾向于具有较平缓或正的金属丰度梯度，表明其星际介质更湍流。
• 存在微弱但显著的相关性：贫金属星系更倾向于呈现平坦或正梯度，而富金属星系则更常具有负梯度。
• 该观测趋势可通过金属贫瘠气体向星系中心的内流来解释，内流会稀释中心区域的金属丰度，从而使梯度变平或反转。
• 推断的原始气体内流速率可达每年数百倍太阳质量，且最大内流速率与暗物质晕质量之间存在正相关性。