[论文解读] Physical properties of galaxies and their evolution in the VIMOS VLT Deep Survey. I. The evolution of the mass-metallicity relation up to z~0.9

F. Lamareille, J. Brinchmann+44 more|ArXiv.org|Nov 13, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 101被引用 49

一句话总结

本研究利用VIMOS VLT深空 Survey 的光谱数据，调查了红移 z ~ 0.9 以内的星系形成星系中质量-金属丰度关系（MZR）的演化。通过光谱能量分布拟合和发射线诊断法测量气体相氧丰度与恒星质量，作者发现 MZR 在更高红移时趋于平缓，表明大质量星系的金属丰度演化更强，这最合理的解释是采用与质量相关的有效产率的开放-封闭模型，即低质量星系中反馈驱动的金属喷射所致。

ABSTRACT

We derive the mass-metallicity relation of star-forming galaxies up to $z\sim0.9$, using data from the VIMOS VLT Deep Survey. Automatic measurement of emission-line fluxes and equivalent widths have been performed on the full spectroscopic sample. This sample is divided into two sub-samples depending on the apparent magnitude selection: wide ($I_{\mathrm{AB}}<22.5$) and deep $I_{\mathrm{AB}}<24$). These two samples span two different ranges of stellar masses. Emission-line galaxies have been separated into star-forming galaxies and active galactic nuclei using emission line ratios. For the star-forming galaxies the emission line ratios have also been used to estimate gas-phase oxygen abundance, using empirical calibrations renormalized in order to give consistent results at low and high redshifts. The stellar masses have been estimated by fitting the whole spectral energy distributions with a set of stellar population synthesis models. We assume at first order that the shape of the mass-metallicity relation remains constant with redshift. Then we find a stronger metallicity evolution in the wide sample as compared to the deep sample. We thus conclude that the mass-metallicity relation is flatter at higher redshift. The observed flattening of the mass-metallicity relation at high redshift is analyzed as an evidence in favor of the open-closed model.

研究动机与目标

• 测量星系形成星系中质量-金属丰度关系（MZR）在红移 z ~ 0.9 以内的演化。
• 确定 MZR 的形状是否随宇宙时间保持不变或发生演化。
• 研究观测到的金属丰度演化背后的物理机制，特别是反馈和恒星形成效率的作用。
• 检验封闭箱模型与开放-封闭模型在解释不同恒星质量下金属丰度演化时的有效性。
• 通过与经验校准和产率模型比较，量化恒星形成活动的演化及其对金属丰度的影响。

提出的方法

• 对完整的 VIMOS VLT 深空 Survey 光谱样本进行发射线流量和等效宽度的自动化测量。
• 利用发射线诊断图（如 BPT 标准）将星系分类为星系形成型和活动星系核（AGN）型。
• 使用经验校准（如 O3N2、R23）估算气体相氧丰度，并对红移范围进行一致性归一化。
• 通过将全谱能量分布（SED）与星族合成模型拟合，推导恒星质量。
• 将样本划分为广深（I_AB < 22.5）和深空（I_AB < 24）的星等限制子样本，以探测不同质量范围。
• 将观测到的 MZR 演化与包含与引力势能相关的有效产率的封闭箱模型和开放-封闭模型预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量-金属丰度关系在红移 z ~ 0.9 以内如何随红移演化？
• RQ2 观测到的 MZR 演化是否与化学演化的封闭箱模型一致？
• RQ3 恒星形成活动与反馈在不同恒星质量下对 MZR 演化起何作用？
• RQ4 金属的有效产率如何随星系质量变化，这对星系的物理演化有何含义？
• RQ5 观测到的高红移时 MZR 平坦化在多大程度上支持开放-封闭模型而非封闭箱模型？

主要发现

• 在更高红移时，质量-金属丰度关系趋于平缓，z ~ 0.77 时的星系金属丰度低于同质量本地星系的对应值。
• 在 10^9.4 太阳质量时，z ~ 0.77 的星系金属丰度比本地宇宙低 -0.18 dex。
• 在 10^10.2 太阳质量时，z ~ 0.77 的星系金属丰度亏损能力增加至 -0.28 dex，相比本地宇宙。
• 观测到的 MZR 演化与封闭箱模型不一致，因为该模型要求所有质量下恒星形成活动相似，与已知的质量-恒星形成率相关性相矛盾。
• 数据支持开放-封闭模型，其中低质量星系因反馈导致的金属喷射而具有较小的有效产率，而大质量星系更有效地保留金属。
• 有效产率对引力势能（与总重子质量相关）的依赖性解释了为何尽管恒星形成活动更高，低质量星系的金属丰度演化仍更缓慢。