探索红移 z~3-5 处的星系质量-金属丰度关系

长时伽马射线暴 (GRB) 凭借其极高的亮度和与大质量恒星的关联，为研究高红移恒星形成星系提供了首要工具。本文利用 GRB 研究红移 z~3-5 处的星系恒星质量-金属丰度 (M*-Z) 关系，在该红移范围内，传统的直接金属丰度测量极其困难。我们利用从余辉吸收光谱学推导出的 LGRB 宿主星系星际介质金属丰度 (Z~0.01-1 太阳丰度)，并结合基于对 20 个 GRB 宿主星系的深度斯皮策 3.6 微米观测确定的宿主星系恒星质量。我们探测到约 1/4 的宿主星系，其 I 波段星等约为 -21.5 至 -22.5 AB 星等，并通过叠加分析将剩余宿主星系的质量上限设为 M > -19 星等。利用这些观测，我们首次给出了红移 z>3 处长 GRB 宿主星系的静止帧光学光度分布，并发现其与红移 z~1 处长 GRB 宿主星系的光度分布相似。与同红移的莱曼断裂星系相比，GRB 宿主星系通常更暗，但样本量太小，无法排除整体光度函数相似的可能性。另一方面，GRB 宿主星系似乎比红移 z~3-4 处的莱曼阿尔法发射体星系群更亮。利用简单恒星族群（年龄为 70 Myr 至约 2 Gyr）的保守质光比范围，我们推断了宿主星系的恒星质量，并给出了红移 z~3-5（平均红移 <z> ~ 3.5）处的质量-金属丰度测量结果。我们发现，被探测到的 GRB 宿主星系（恒星质量 M*~2e10 太阳质量）展现出广泛的金属丰度范围，但在此质量尺度上的平均金属丰度 Z~0.1 太阳丰度，低于红移 z<3 处的测量值。结合对未被探测到的宿主星系（M*< 3e9 太阳质量，Z<0.03 太阳丰度）的叠加分析，我们找到了红移 z~3.5 处存在 M*-Z 关系的证据，并且该关系从红移 z~2 起持续向更低的金属丰度演化。