Una relación M*-SFR-Z debe existir a z~2.3

Título del artículo técnico: The MOSDEF survey: a stellar mass-SFR-metallicity relation exists at z∼2.3

Autores: Ryan L. Sanders, Alice E. Shapley, Mariska Kriek, William R. Freeman, Naveen A. Reddy, Brian Siana, Alison L. Coil, Bahram Mobasher, Romeel Davé, Irene Shivaei, Mojegan Azadi, Sedona H. Price, Gene Leung, Tara Fetherholf, Laura de Groot, Tom Zick, Francesca M. Fornasini, Guillermo Barro.

Institución del primer autor: Universidad de California, Davis.

Astrobite original: A Stellar M-SFR-Z Relation MOSt DEFinitely Exists at z~2.3 por Huei Sears

¡La evolución de galaxias es algo complicado! Nuestra teoría actual es que el gas llega, las estrellas se producen y explotan, el medio interestelar (ISM, por sus siglas en inglés) que las rodea se calienta y es enriquecido con metales, y el gas se va. Estos procesos están ocurriendo en diferentes etapas por toda la galaxia y pueden hacer que la simulación y observación de la evolución galáctica sea muy difícil. ¡Por suerte, a través de años de observación de galaxias locales, sabemos que algunas propiedades galácticas están correlacionadas! Por ejemplo, Tremonti et al. (2004) encontraron que hay una relación entre la masa estelar (M*) y la abundancia de oxígeno en el gas (12+log(O/H), o Z) en el universo local (corrimiento al rojo, z ~ 0). En 2008, Ellison et al. descubrieron que esta relación M*-Z también tiene una dependencia con la tasa de formación estelar (SFR, por sus siglas en inglés), en el universo local. ¡Tiempo después se demostró que esta relación está más correlacionada que la propia relación M*-Z! (N. del T.: A esta relación M*-SFR-Z se le conoce como “relación fundamental de metalicidad”, o FMR por sus siglas en inglés).

Las preguntas que surgen son: ¿hay indicios de una relación M*-Z a alto z? Si es así, ¿es compatibles con una en z~0?¿O evoluciona con el corrimiento al rojo? Muchos han intentado responder estas preguntas, pero la mayoría de estos estudios estaban basados en grandes muestras con baja señal a ruido (S/N, por su nomenclatura en inglés), o pequeñas muestras con S/N intermedia y han dependido de un único indicador de metalicidad. ¡Pero ya no más!

¿Qué hicieron?

Completado en mayo de 2016, el censo de Campo de Evolución Profunda de MOSFIRE (MOSDEF, por sus siglas en inglés) fue un programa de 4 años en el que el instrumento MOSFIRE del telescopio Keck 1 de 10 metros fue usado para obtener espectros en el infrarrojo cercano de ~1500 galaxias, cubriendo corrimientos al rojo 1.4 < z < 3.8. Los autores eligieron utilizar las ~700 galaxias observadas en el rango de corrimiento al rojo 2.01-2.61. Tras establecer cortes en S/N, los autores se quedaron con una muestra de 260 galaxias con un corrimiento al rojo promedio de z ~ 2.3 (ver figura 1, izquierda). Para llegar a una conclusión acerca de la (posible) evolución con el corrimiento al rojo de la FMR, los autores utilizaron una muestra de comparación de 208 529 galaxias con formación estelar a z ~ 0 de Andrews & Martini (2013).

A partir de sus espectros en el infrarrojo cercano, los autores midieron las SFRs usando las luminosidades de H-alfa (que fueron corregidas por enrojecimiento). Usando ajustes fotométricos de banda ancha y media, los autores fueron capaces de determinar las masas de las galaxias de manera robusta. Finalmente, utilizando seis razones de líneas de emisión (N2, O3N2, O3, R32 y O32), fueron capaces de obtener varias estimaciones de metalicidad para cada galaxia. Aquí la metalicidad se refiere a la abundancia de oxígeno en el gas, 12+log(O/H).

¿Qué encontraron?

¡Los autores detectaron una relación M*-SFR-Z a z ~2.3! Esto se muestra mejor en la figura 2. Esta relación fue encontrada usando las estimaciones de metalicidad de O3N2, N2 y N2O2. Las razones para R32 y O3 estaban bivaluadas con la metalicidad (piensa en esto como una parábola) y no se pueden usar empíricamente para descubrir una relación como esta. Pueden ser usadas, sin embargo, para apoyar el hallazgo; en este caso, los resultados de O32 eran inconsistentes con lo que encontraron y los autores concluyeron que esto se debía posiblemente a sesgos en la corrección por extinción. Otro objetivo principal de este proyecto era determinar si la relación M*-SFR-Z evolucionaba con el corrimiento al rojo, ¡lo cual los autores encontraron! A una masa y SFR dadas, la metalicidad de la muestra a z ~ 2.3 es 0.1 dex menor que la de la muestra a z ~ 0, algo también mostrado en la figura 2. Los autores especulan que esta evolución podría deberse a un incremento en el factor de carga de masa de z ~ 0 a z ~ 2 y a un decremento en la metalicidad del gas que cae a z ~ 2.

¿Qué falta por descubrir?

Los autores establecieron que existe una relación M*-SFR-Z a z ~ 2.3 y que esta relación evoluciona con el corrimiento al rojo. La existencia de esta relación implica que nuestro entendimiento de la evolución de las galaxias es correcta… al menos hasta z ~ 2.3. El siguiente paso es investigar esta relación en corrimientos al rojo mayores, pero no es una tarea trivial. Como quedó demostrado con el uso de cinco razones de líneas de emisión, medir las metalicidades a altos corrimientos al rojo puede ser difícil y requiere mucho cuidado. Las incertidumbres o inconsistencias con las correcciones por extinción y otras calibraciones pueden ocasionar grandes incertidumbres en los resultados, como en el caso de O32. Afortunadamente, la llegada de grandes telescopios (como el JWST y el TMT) nos permitirá disminuir estas incertidumbres gracias al incremento en su sensibilidad.