红移z > 3星系中极端发射线比值的起源：来自Lumen模型的启示

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Origins of Extreme Emission-Line Ratios in z > 3 Galaxies: Insights from the Lumen Model

　　

摘要

在 z ~ 3–8 的恒星形成星系中，光学发射线比值（如 [O iii]/Hβ 和 [O iii]/[O ii]）与 z ~ 0–2 处的观测值显著偏离，表明早期宇宙中的电离条件和星际介质条件更为极端。为约束这些偏离的物理起源，我们开发了 Lumen，一个用于在宇宙学模拟中建模空间分布 H ii 区星云发射的框架。我们将 Lumen 应用于 IllustrisTNG50，在低红移处验证其预测，并测试了解释 z = 3–8 处极端线比的机制。我们重点关注 [N ii]/Hα 与 [O iii]/Hβ 的关系图（N2-BPT 图）、[S ii]/Hα 与 [O iii]/Hβ 的关系图（S2-VO87 图），以及 [O iii]/[O ii] 与 ([O ii]+[O iii])/Hβ 的关系图（O32–R23 图）。我们发现，仅靠恒星的 α 元素增强无法解释大多数观测结果。恒星的 α 元素增强与更高的初始质量函数（IMF）上端质量截止相结合的效应可产生适度的偏离，而活动星系核（AGN）可能有助于解释部分观测到的离散度。最极端的 [O iii]/Hβ 和 [O iii]/[O ii] 值需要由质量 ? 10⁵–10⁶ M_⊙ 的大质量星团提供的高电离参数，这与近期 JWST 的观测一致。复现最高的 [N ii]/Hα 比值则需要增强的氮丰度。尽管气体密度 n ~ 10⁴ cm^?3 可以提高若干诊断比值，但会压制 [S ii]/Hα，这与当前观测存在矛盾。总体而言，结合更硬的电离辐射谱、由大质量星团提供的高电离参数以及增强的氮丰度的模型，可以在 N2-BPT、S2-VO87 和 O32–R23 图中再现所有观测到的高 z 线比。基于此，我们为 N2-BPT 和 S2-VO87 图中的恒星形成星系提供了新的分界线。