作为星系演化标尺的质量-金属丰度关系:来自詹姆斯·韦布空间望远镜的见解

星系演化源于宇宙气体吸积、驱动恒星形成与超新星(SN)反馈之间的平衡,调控着金属增丰。因此,恒星质量($M_*$)–气体金属丰度关系(MZR)是理解星系物理的关键。高质量的 JWST 数据使得在红移 z=10 以内对 MZR 的精确测量成为可能。我们的目标是理解观测到的 MZR、其与恒星形成率(SFR)的联系、SFR 随机性所起作用,以及其如何受 SN 反馈调控。我们将 JADES、CEERS 与 UNCOVER 巡天中的 MZR(包含约 180 个 $z=3-10$、$10^6<M_*/M_\odot<10^{10}$ 的星系)与 SERRA 宇宙学模拟中的 200 个星系进行比较。为解释 MZR,我们建立了星系演化的最小模型,包含:以 100 Myr 上振幅 $A_{100}$ 调制的宇宙吸积;SFR 与 SN 间时延 $t_d$;具有变化质量负载因子 $\epsilon_{SN}$ 的 SN 驱动外流。使用我们的最小模型,我们发现观测平均 MZR 由弱外流($\epsilon_{SN}=1/4$)重现,与 JADES 的结论一致。匹配观测 MZR 弥散需要 $t_d=20$ Myr 与吸积率 $A_{100}=1/3$ 调制。成功模型具有低随机性($\sigma_{SFR}=0.2$),产生 $\sigma_{Z}=0.2$ 的 MZR 弥散。这些值接近但低于 SERRA 预测($\sigma_{SFR}=0.24$,$\sigma_{Z}=0.3$),阐明了为何 SERRA 呈现较平缓趋势且与观测有些张力。由于 MZR 对 SFR 随机性非常敏感,预测高 r.m.s. 值($\sigma_{SFR}=0.5$)的模型导致“化学混沌”(即 $\sigma_{Z}=1.4$),几乎摧毁 MZR。因此,援引高度随机的 SFR($\sigma_{SFR}=0.8$)来解释明亮超早期星系的过量丰度,会与观测 MZR 不一致。