[论文解读] The dependence of the gradients of oxygen and nitrogen-to-oxygen on stellar age in MaNGA galaxies

I. A. Zinchenko, J. M. Vı́lchez+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 96被引用 14

一句话总结

本研究利用两种强线方法——经验性 R 校准法与贝叶斯 HII-CHI-mistry (HCm) 代码，分析了 1,431 个 MaNGA 星系的氧（O/H）和氮/氧（N/O）丰度的径向梯度。结果表明，O/H 与 N/O 梯度在中等质量星系（log(M/M⊙) ≈ 10）中最为陡峭，而在大质量与小质量星系中则趋于平缓，并且与恒星年龄通过 D(4000) 指数相关，表明金属丰度梯度随时间演化，尤其在小质量星系中更为显著。

ABSTRACT

We derive the oxygen abundance (O/H), the nitrogen-to-oxygen (N/O) abundance ratio, and their corresponding radial gradients for a sample of 1431 galaxies from MaNGA DR15 survey using two different realizations of the strong line method: empirical R calibration and the Bayesian model-based {\sc HII-CHI-mistry} ({\sc HCm}) code. We find that both abundance calculation methods reveal a correlation between the O/H gradient and the stellar mass of a galaxy. This relation is non-linear, with the steepest average gradients in the intermediate mass range and flatter average gradients for high- and low-mass galaxies. The relation between the N/O gradient and the stellar mass is, on average, non-linear with the steepest gradients in the intermediate mass range ($\log(M/M_\sun) \sim 10$), flatter gradients for high-mass galaxies, and the flattest gradients for low-mass galaxies. However, the general trend of steepening N/O gradient for higher masses, reported in previous studies, remains evident. We find a dependence between the O/H and N/O gradients and the galaxy mean stellar age traced by the $D$(4000) index. For galaxies of lower masses, both gradients are, generally, steeper for intermediate values of $D$(4000) and flatter for low and high values of $D$(4000). Only the most massive galaxies do not show this correlation. We interpret this behaviour as an evolution of the metallicity gradients with the age of stellar population. Though the galaxies with a positive slope of the $D$(4000) radial gradient tend to have a flatter O/H and N/O gradients, as compared to those with a negative $D$(4000) gradient.

研究动机与目标

• 研究附近星系中氧与氮/氧丰度梯度对恒星年龄的依赖性。
• 通过两种独立的丰度校准方法，考察径向金属丰度梯度如何随星系恒星质量变化。
• 探讨金属丰度梯度与 D(4000) 指数之间的关联，后者作为平均恒星种群年龄的代理指标。
• 对比经验性 R 校准法与基于模型的贝叶斯 HCm 方法的结果，以检验其稳健性与一致性。
• 理解盘状星系在不同质量与年龄区间中金属丰度梯度的演化趋势。

提出的方法

• 使用 MaNGA DR15 数据，包含 1,431 个星系的空间分辨光谱。
• 对每个孔积分（spaxel）应用 STARLIGHT 代码拟合并减去恒星连续谱，从而分离出纯净的发射线光谱。
• 采用 ELF3D 代码并结合蒙特卡洛初始参数采样，利用高斯轮廓稳健拟合发射线流量。
• 使用两种方法计算 O/H 与 N/O 丰度：经验性 R 校准法（Pilyugin & Grebel, 2016）与贝叶斯 HII-CHI-mistry (HCm) 代码（Pérez-Montero, 2014）。
• 通过在径向分箱中对中值数据拟合线性趋势，将径向梯度归一化至有效半径（Re）。
• 使用 D(4000) 指数作为平均恒星种群年龄的代理指标，分析其与梯度斜率在质量与径向分布上的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 O/H 与 N/O 丰度梯度如何随星系恒星质量变化，且该关系是否具有非线性特征？
• RQ2 O/H 与 N/O 梯度对平均恒星种群年龄（以 D(4000) 指数追踪）的依赖性如何？
• RQ3 经验性 R 校准法与基于模型的 HCm 方法在观测到的梯度趋势上是否存在差异？
• RQ4 为何大质量星系（log(M/M⊙) > 10.25）中梯度斜率与恒星年龄之间无显著相关性？
• RQ5 D(4000) 指数的径向梯度（恒星年龄）如何影响 O/H 与 N/O 梯度？

主要发现

• R 校准法与 HCm 方法均证实 O/H 梯度为负值，中位值分别为 −0.06 dex/Re 与 −0.03 dex/Re。
• N/O 梯度亦为负值，中位值分别为 −0.12 dex/Re（R 校准法）与 −0.18 dex/Re（HCm 方法），与先前研究一致。
• O/H 梯度对恒星质量表现出非线性依赖关系，在 log(M/M⊙) ≈ 10.0 时平均梯度最陡峭，而在更高与更低质量星系中则趋于平缓。
• N/O 梯度亦表现出非线性质量依赖关系，在中等质量范围（log(M/M⊙) ≈ 10）内梯度最陡，大质量星系中较平缓，小质量星系中最为平缓。
• 对于小质量星系，当 D(4000) 值处于中等范围时，O/H 与 N/O 梯度更陡峭，而在低与高 D(4000) 值时则更平缓，表明梯度随恒星种群年龄演化。
• 具有正 D(4000) 径向梯度（外缘更老）的星系，其 O/H 与 N/O 梯度比具有负 D(4000) 梯度（外缘更年轻）的星系更平缓。