Gas-phase metallicity of local analogs of high-z galaxies: a new calibration for chemical abundances in the distant universe

Abstract

Los estudios del contenido metálico del gas de las galaxias son fundamentales para comprender cómo evolucionan las galaxias a través del tiempo cósmico. La relación entre la metalicidad y las propiedades globales de las galaxias, como la masa estelar y la tasa de formación estelar, proporcionan información valiosa sobre qué procesos regulan el enriquecimiento de las galaxias. Estos estudios han sido extensos en el Universo local, sin embargo, los intentos de aplicar estudios similares a alto z están llenos de dificultades observacionales.

A partir de espectros ópticos de regiones HII locales y nebulosas planetarias, puede estimarse la metalicidad en fase gaseosa utilizando el "método directo". Las fuentes a mayor-z ven sus líneas de emisión más tenues y desplazadas a las bandas infrarrojas, donde la absorción atmosférica dificulta la observación desde tierra. Antes del telescopio espacial James Webb, los estudios de metalicidad tenían que basarse en estimaciones realizadas con unas pocas líneas brillantes detectadas y en relaciones teóricas como las relaciones temperatura-temperatura o calibraciones empíricas de razones entre líneas de emission fuertes. Para estudiar estas relaciones utilizamos análogos locales de galaxias de alto z como laboratorio ideal del Universo temprano.

Los análogos locales de este trabajo se seleccionaron en función de su posición en el diagrama BPT para cumplir las condiciones de ionización del medio interestelar de galaxias a z ~ 2.3. Utilizamos espectros de resolución moderada de 18 análogos recogidos con el espectrógrafo Magellan Echelle montado en el telescopio Baade de 6.5 m instalado en el Observatorio Las Campanas. Tras medir y corregir los flujos de las líneas de emisión, utilizamos el método directo para estimar la densidad, temperatura y metalicidad de la fase gaseosa de los análogos locales. Finalmente, investigamos las relaciones de temperatura y las calibraciones de metalicidad dadas por nuestros análogos.

Encontramos que nuestros análogos se desvían a altas metalicidades de la relación teórica Te[O II] vs Te[O III] ampliamente utilizada, mostrando una pendiente menos pronunciada y una dispersión menor. Presentamos nuevas calibraciones para 12 relaciones de líneas de emisión en el rango 7.8 < 12 + log(O/H) < 8.6. Nuestras relaciones se desvían de las calibraciones basadas en regiones HII locales, otros análogos locales y modelos de fotoionización, sugiriendo posibles subestimaciones de hasta 0.3 dex en el régimen de alta metalicidad. Además, estos resultados concuerdan notablemente con nuevas calibraciones exploradas hasta z = 9 que establecen un buen punto de referencia para nuevos estudios de metalicidad en el Universo temprano con el telescopio espacial James Webb.

Studies of the metal content of the gas in galaxies are fundamental to understand how galaxies evolve through cosmic time. The relation between metallicity and global properties of galaxies such as the stellar mass and star formation rate provide valuable insights into what processes regulate the enrichment of galaxies. These studies have been extensive in the local Universe, however, attempts of applying similar studies at high-z are full of observational difficulties. From optical spectra of local HII regions and planetary nebulae, the gas-phase metallicity can be estimated using the “direct method”. Sources at higher-z see their emission lines dimmer and shifted to the infrared bands where the atmospheric absorption difficult the observation from the ground. Before the James Webb Space Telescope, studies of metallicity had to rely on estimations made with a few detected bright lines and theoretical relations such as the temperature-temperature relations or empirical calibrations of strong emission line ratios. To study these relations we used local analogs of high-z galaxies as an ideal laboratory of the early Universe. Local analogs in this work were selected based on their position in the BPT diagram to meet the ionization conditions of the ISM of galaxies at z ∼ 2.3. We used moderate resolution spectra of 18 analogs gathered with the Magellan Echelle Spectrograph mounted on the ground-based 6.5m Baade telescope at Las Campanas Observatory. After measurement and correction of the emission line fluxes, we used the direct method to estimate the density, temperature, and metallicity of the gas-phase of the local analogs. Finally, we investigate the temperature relations and calibrations of metallicity given by our analogs. We found that our analogs deviate at high metallicities from the widely used theoretical Te[O II] vs Te[O III] relation, showing a shallower slope and a lower scatter. We present new calibrations for 12 emission line ratios in the range 7.8 < 12 + log(O/H) < 8.6. Our relations deviate from calibrations based on local HII regions, other local analogs, and photoionization models, suggesting possible underestimations up to 0.3 dex in the high-metallicity regime. Furthermore, these results remarkably agree with new calibrations explored up to z = 9 which set a good benchmark for new metallicity studies in the early Universe with the James Webb Space Telescope.