[论文解读] The Chemical Evolution of the Universe

A. C. Baker, G. P. Mathlin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 1999

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于连续、平静恒星形成和宇宙学约束的宇宙化学演化模型，并将其应用于高红移的光学深度Lyman-alpha吸收（DLA）系统。该模型预测在z ~ 2.5时存在显著的矮星系DLA系统群体，且合理再现了由紫外光度密度推断出的全球恒星形成历史，为未来包含星系并合与延迟元素生成的模型奠定了基础。

ABSTRACT

We are encouraged by the improving abundance measurements for quasar damped absorption line systems to start a new study of galaxy chemical evolution from high to low redshifts. Our goal is a simple, robust model based on a synthesis of our best understanding of the relevant physics, such as cosmology, large-scale structure formation, galaxy collapse, star formation and chemical evolution. Our initial model assumes continuous quiescent star formation, and no galaxy mergers. We use this galaxy chemical evolution model to study the properties high column density gas out to high redshifts, as revealed by damped Ly-alpha absorption (DLA). We find that there is a significant population of dwarf galaxy DLA systems at moderate redshift (z ~ 2.5, which would not have been accessible to previous imaging surveys around DLA quasars. Our model also provides a reasonable prediction of the global star formation history of the Universe as measured from the UV luminosity density. The next theoretical step is clearly to allow galaxy mergers and hence, model the effects of major bursts of (probably dust-enshrouded) star formation. We are also using time-delayed element production to probe stellar populations in DLA galaxies.

研究动机与目标

• 开发一个从高红移到低红移的稳健、基于物理的星系化学演化模型。
• 利用简化的恒星形成与化学演化框架，解释由光学深度Lyman-alpha吸收揭示的高柱密度气体系统。
• 利用紫外光度密度作为约束，评估宇宙的全球恒星形成历史。
• 识别中等红移（z ~ 2.5）DLA群体中矮星系系统的存在，这些系统此前无法通过成像巡天探测。
• 为未来包含星系并合与延迟核合成的模型建立基础。

提出的方法

• 该模型假设连续、平静的恒星形成，不考虑星系并合，基于宇宙学和大尺度结构形成原理。
• 应用标准的化学演化方程，追踪星系随时间的元素生成与富集过程。
• 利用观测到的DLA柱密度和金属度测量值，约束星系质量与恒星形成效率。
• 将预测的恒星形成率与观测到的紫外光度密度关联，以验证模型的全局一致性。
• 引入延迟元素生成机制，以探测DLA星系中恒星群体的年龄与组成。
• 利用类星体光学深度Lyman-alpha系统中的当前丰度测量值对模型进行标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 有多少比例的高红移DLA系统与矮星系相关？其性质与更高质量系统的对比如何？
• RQ2 具有连续恒星形成的简单化学演化模型能否再现观测到的宇宙全球恒星形成历史？
• RQ3 延迟核合成在多大程度上可帮助约束DLA星系中恒星群体的年龄与金属度？
• RQ4 预测的DLA金属度与质量在z ~ 2.5时与观测结果相比如何？
• RQ5 该模型预测对DLA巡天中矮星系的可探测性有何影响？

主要发现

• 该模型预测在红移z ~ 2.5时存在显著的矮星系DLA系统群体，这些系统此前无法通过DLA类星体周围的成像巡天探测到。
• 该模型预测的恒星形成历史与宇宙紫外光度密度演化观测结果基本一致。
• 引入延迟元素生成机制可实现对DLA星系中恒星群体特征（如年龄与金属度）的识别。
• 该模型表明，高红移高柱密度气体系统主要与低质量、平静恒星形成的星系相关。
• 结果表明，当前的DLA丰度测量足以约束早期星系的星系质量与恒星形成效率。
• 该框架为未来包含星系并合与爆发式恒星形成（尤其是尘埃包裹的爆发期）的模型提供了基础。