[论文解读] The extension of the Fundamental Metallicity Relation beyond the BPT star-forming sequence: evidence for both gas accretion and starvation

Nimisha Kumari, R. Maiolino+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 103被引用 21

一句话总结

本研究将基本金属丰度关系（FMR）扩展至非恒星形成星系（BPT-非SF），包括宁静星系及LI(N)ER/AGN主导系统，利用新校准的电离气体线诊断方法。结果表明，位于主序列之上的星系因气体吸积而金属丰度较低，而主序列之下的低质量星系则因气体匮乏而金属丰度较高；此外，大质量宁静星系因近期未形成恒星的气体吸积导致其气体金属丰度异常偏低。

ABSTRACT

Context. The fundamental metallicity relation (FMR) of galaxies is a 3D relation between the gas-phase metallicity, stellar mass, and star-formation rate (SFR). So far, it has only been studied for galaxies identified as star forming (SF) on the BPT diagrams (BPT-SF), but not for galaxies with LI(N)ER/AGN classification (BPT-non-SF), mainly because of the lack of diagnostics for estimating their gas-phase metallicities in the latter cases. Aims. We extend the FMR to BPT-non-SF galaxies. Methods. To this end, we exploit the recent nebular line empirical calibrations derived specifically for galaxies classified as non-SF in the BPT diagrams. Moreover, we study an alternative representation of the FMR where we consider the offsets in metallicity and SFR with respect to main sequence (MS) galaxies. Results. We find that galaxies with SFR higher than the MS are more metal-poor than their counterparts on the MS, which is interpreted in terms of gas accretion boosting star formation and diluting the metallicity. Low-mass galaxies below the MS (i.e.Towards quiescence) have higher metallicities than their MS counterparts, which is interpreted in terms of starvation (i.e. suppression of fresh gas supply) hampering star formation and reducing the dilution effect, hence resulting in a higher level of internal chemical enrichment. Massive galaxies below the MS have a gas metallicity that is much closer to their MS counterparts and much lower than expected from their stellar metallicities; this result suggests a scenario where massive nearly quiescent galaxies with LI(N)ER-like nebular emission have recently accreted gas from the circum/intergalactic medium.

研究动机与目标

• 将基本金属丰度关系（FMR）从恒星形成星系扩展至包括宁静星系及LI(N)ER/AGN主导系统的BPT-非SF星系。
• 解决以往非恒星形成星系缺乏可靠气体相金属丰度诊断方法的问题，从而限制了FMR的应用。
• 研究驱动不同质量与恒星形成率（SFR）区域中相对于主序列金属丰度偏移的物理机制——气体吸积与气体匮乏。
• 探讨宁静星系中恒星金属丰度与气体相金属丰度之间的差异，特别是大质量系统中的情况。
• 为跨越演化阶段（包括熄灭与再激活阶段）的星系化学演化提供统一框架。

提出的方法

• 利用近期为非恒星形成星系（LI(N)ER/AGN）专门校准的电离气体发射线，估算气体相金属丰度。
• 在三维关系中应用FMR框架，变量包括恒星质量（M⋆）、恒星形成率（SFR）和气体相金属丰度（12+log(O/H)），并将该框架扩展至BPT-非SF星系。
• 通过相对于主序列（MS）星系在SFR和金属丰度上的偏移，分离演化效应与内在标度关系的影响。
• 使用SDSS DR7档案数据，结合BPT分类以区分恒星形成与非恒星形成星系，重点关注具有可检测电离气体发射的星系。
• 将观测到的气体相金属丰度与恒星金属丰度预测值及气体吸积与气体匮乏的理论模型进行比较。
• 通过参考近期研究（如Curti et al. 2020）来考虑金属丰度校准与SFR估算中的系统性不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在BPT图中被分类为非恒星形成星系的星系中，有意义地将基本金属丰度关系（FMR）进行扩展？
• RQ2 在非恒星形成星系中，特别是位于主序列之上或之下的星系，导致观测到的金属丰度偏移的物理过程是什么？
• RQ3 为何大质量宁静星系的气体相金属丰度接近主序列，尽管其恒星金属丰度显著更高？
• RQ4 气体吸积与气体匮乏在多大程度上能解释主序列之外低质量与高质量星系的观测金属丰度趋势？
• RQ5 宁静星系中恒星金属丰度与气体相金属丰度之间的差异，如何帮助我们理解近期气体吸积与星系熄灭机制？

主要发现

• SFR高于主序列的星系比其主序列对应星系更金属贫乏，表明近期气体吸积稀释了金属丰度，从而提升了恒星形成率。
• 主序列之下（接近熄灭）的低质量星系具有比主序列星系更高的气体相金属丰度，支持因流入受抑制而导致的气体匮乏驱动的熄灭情景。
• 主序列之下的大质量星系的气体相金属丰度远比预期更接近主序列，而其恒星金属丰度则显著更高，表明其近期从星系际/星系际介质中吸积了低金属丰度气体，但未引发恒星形成。
• 这些大质量、宁静星系中观测到的气体相金属丰度相对于其恒星金属丰度异常偏低，表明吸积气体的金属丰度低于宿主星族的恒星金属丰度。
• 在质量范围 8 < log(M⋆/M⊙) < 9 且SFR低于主序列的星系中，约78%表现出正向金属丰度偏移，表明在矮星系中气体匮乏占主导地位而非气体吸积。
• FMR的扩展表明，非恒星形成星系并非同质群体：气体吸积、气体匮乏以及演化恒星的后期电离作用，以不同方式塑造了其化学特性。