[论文解读] The MOSDEF Survey: [SIII] as a New Probe of Evolving ISM Conditions

Ryan L. Sanders, Tucker Jones+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Species Distribution and Climate Change参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文利用MOSDEF巡天的深空Keck/MOSFIRE光谱，首次将[S iii] λλ9069,9531作为探测红移z ~ 1.5时星系中演化星际介质（ISM）条件的新探针。研究发现，在恒星质量固定时，S₃₂比值（[S iii]/[S ii]）随红移的演化较缓，表明高红移时电离谱更硬，而非电离参数增加，凸显了[S iii]在探测ISM及恒星成分演化方面相较于传统谱线的稳健性。

ABSTRACT

We present measurements of [SIII]$λλ$9069,9531 for a sample of $z\sim1.5$ star-forming galaxies, the first sample with measurements of these lines at z>0.1. We employ the line ratio S$_{32}$$\equiv$[SIII]$λλ$9069,9531/[SII]$λλ$6716,6731 as a novel probe of evolving ISM conditions. Since this ratio includes the low-ionization line [SII], it is crucial that the effects of diffuse ionized gas (DIG) on emission-line ratios be accounted for in $z\sim0$ integrated galaxy spectra, or else that comparisons be made to samples of local HII regions in which DIG emission is not present. We find that S$_{32}$ decreases with increasing stellar mass at both $z\sim1.5$ and $z\sim0$, but that the dependence is weak suggesting S$_{32}$ has a very shallow anticorrelation with metallicity, in contrast with O$_{32}$ that displays a strong metallicity dependence. As a result, S$_{32}$ only mildly evolves with redshift at fixed stellar mass. The $z\sim1.5$ sample is systematicallty offset towards lower S$_{32}$ and higher [SII]/H$α$ at fixed [OIII]/H$β$ relative to $z=0$ HII regions. By comparing to photoionization model grids, we find that such trends can be explained by a scenario in which the ionizing spectrum is harder at fixed O/H with increasing redshift, but are inconsistent with an increase in ionization parameter at fixed O/H. This analysis demonstrates the advantages of expanding beyond the strongest rest-optical lines for evolutionary studies, and the particular utility of [SIII] for characterizing evolving ISM conditions and stellar compositions. These measurements provide a basis for estimating [SIII] line strengths for high-redshift galaxies, a line that the James Webb Space Telescope will measure out to z~5.5.

研究动机与目标

• 利用[S iii]发射线研究高红移星系中ISM条件的演化。
• 评估[S iii]/[S ii]线比（S₃₂）是否能作为独立于强金属度依赖性的电离条件稳健诊断工具。
• 在考虑z ≈ 0样本中弥散电离气体（DIG）污染的前提下，比较z ~ 1.5与本地H ii区的ISM特性。
• 评估[S iii]在未来的高红移研究中的实用性，特别是詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）任务中的应用。

提出的方法

• 利用MOSDEF巡天提供的深近红外光谱，测量10个z ~ 1.5星系的[S iii] λ9069和λ9531谱线，以及28个星系的堆叠光谱。
• 通过中位数堆叠个体光谱并按Hα光度归一化，构建复合光谱（Stack1–Stack3），以最小化恒星形成率（SFR）偏差。
• 计算S₃₂比值为[S iii] λλ9069,9531 / [S ii] λλ6716,6731，以探测电离条件和ISM演化。
• 利用Hα/Hβ比值校正尘埃消光，假设在z ~ 2时E(B-V)gas ≈ E(B-V)stars，并应用Cardelli等人的消光律。
• 将结果与本地H ii区及z ≈ 0样本进行比较，明确考虑本地比较中的DIG污染。
• 使用光致电离模型解释趋势，检验电离参数或电离谱硬度的变化是否最能解释观测到的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在恒星质量固定时，星系中[S iii]/[S ii]线比（S₃₂）如何随红移演化？
• RQ2 与[O iii]/[O ii]等其他诊断工具相比，S₃₂比值对金属度的敏感程度如何？
• RQ3 z ~ 1.5与z ≈ 0星系之间激发序列的观测偏移是否可由电离谱变化而非电离参数变化来解释？
• RQ4 弥散电离气体（DIG）的贡献如何影响本地与高红移发射线比值的比较？
• RQ5 在高红移星系中，[S iii]作为ISM和恒星成分演化诊断工具的潜力如何？

主要发现

• 在z ~ 1.5和z ≈ 0时，S₃₂比值均随恒星质量增加而减小，但斜率较平缓，表明其对金属度的依赖性极弱。
• 在恒星质量固定时，S₃₂随红移的演化较缓，表明高红移时电离谱更硬，而非电离参数增加。
• 在固定[O iii]/Hβ时，z ~ 1.5样本系统性地表现出更低的S₃₂和更高的[S ii]/Hα，与z ≈ 0 H ii区相比，这一趋势与固定O/H下电离参数增加的假设不一致。
• 该偏移最合理的解释是高红移星系中在固定O/H下电离谱更硬，而非电离参数变化。
• [S iii]线比值在探测ISM演化方面比[O iii]/[O ii]更稳健，后者表现出强烈的金属度依赖性和退化问题。
• 这些结果支持将[S iii]作为未来高红移研究的关键诊断工具，特别是在詹姆斯·韦伯空间望远镜任务中，其将能测量到z ~ 5.5的[S iii]谱线。