¿Cómo puede disminuir el flujo de la línea de emisión ionizada en función del aumento de la metalicidad o la abundancia?

Metalicidad y abundancia

metalicidad

Sin especificar un metal dado, el término "metalicidad" - abreviado$Z$— por lo general se refiere a la metalicidad total de todos los elementos, es decir, la fracción de masa de todos los metales a la masa total de algún conjunto de elementos, por ejemplo, una estrella, una nube de gas, una galaxia, etc. (como es habitual, el término "metal se refiere a todos los elementos que no son hidrógeno o helio). Por ejemplo, la masa de todos los metales en el Sol, dividida por la masa del Sol, es 0,02:

$$Z_\odot \equiv \frac{M_\mathrm{C} + M_\mathrm{N} + M_\mathrm{O} + \ldots}{M_\odot} = 0.02.$$

A veces hablamos de la metalicidad de un elemento dado, por ejemplo, el oxígeno. La fracción de masa de oxígeno en el Sol es 0,005 (es decir, el oxígeno comprende 1/4 de todos los metales en masa), por lo que decimos$Z_\mathrm{O} = 0.005$.

Desafortunadamente, no es raro hablar implícitamente sobre la metalicidad de un objeto, dividida por la metalicidad solar , de modo que se dice que una galaxia que tiene una décima parte de la metalicidad del Sol tiene$Z=0.1$, en vez de$Z=0.002$.

Abundancia

El término "abundancia" solo se usa para un solo elemento. Básicamente expresa lo mismo que metalicidad, y a menudo se usa indistintamente, pero se expresa en términos del número$N$de núcleos de elementos, y como la relación no con todos los núcleos sino con los núcleos de hidrógeno . Por razones históricas extravagantes , también tomamos el logaritmo y le sumamos un factor de 12. Tomando de nuevo el oxígeno como ejemplo, la fracción de masa de 0,005 corresponde a una fracción de núcleos de aproximadamente$5\times10^{-4}$, por lo que decimos que la abundancia de oxígeno es (por ejemplo , Grevesse (2009) )

$$A(\mathrm{O}) \equiv \log \left( \frac{N_\mathrm{O}}{N_\mathrm{H}} \right) + 12 = 8.7.$$

Metalicidad de una especie dada vs. metalicidad total

En general, la proporción de un elemento dado a todos los metales es aproximadamente constante. Es decir, las estrellas producen varios elementos aproximadamente en la misma cantidad. Pero varios procesos pueden hacer que los elementos existan en varias formas. Por ejemplo, los metales se reducen a polvo, pero algunos elementos tienden a no formar polvo, por ejemplo, Zn. Por esta razón, el Zn es un mejor indicador de la metalicidad total que, por ejemplo, el Mg, ya que la mitad del Mg puede estar encerrado en el polvo.

Los metales aumentan el enfriamiento

Los elementos también aparecen en varios estados de excitación, que dependen de varios procesos. Las líneas que mencionas, [O II] y [O III], surgen del oxígeno ionizado por colisión, que posteriormente se recombina (en mi primera respuesta escribí, incorrectamente, que estaba excitado ), y por lo tanto depende de la temperatura del gas. A medida que aumenta la metalicidad del gas en una galaxia, la relación entre la intensidad de estas líneas y la de las líneas de hidrógeno (por ejemplo, H$\beta$) primero aumenta, como se esperaba. Sin embargo, el aumento de la metalicidad también permite que el gas se enfríe de manera más eficiente. La razón es que los metales tienen muchos niveles a través de los cuales los electrones pueden "caer en cascada". Si el electrón se recombina al nivel en el que estaba antes, se emitirá un fotón de la misma energía, que a su vez puede ionizar radiactivamente a otro átomo. Pero los muchos niveles en los metales hacen que la desexcitación al nivel intermedio sea más probable, de modo que el electrón cae en cascada, emitiendo varios fotones de baja energía (infrarrojos), que son incapaces de ionizar los átomos y, por lo tanto, escapar. El resultado es que la energía sale del sistema, es decir, el sistema se enfría.

Esto a su vez significa que, por encima de un cierto umbral de metalicidad, que es específico de una especie determinada, la abundancia de las líneas excitadas por colisión comienza a disminuir. La siguiente figura está tomada de Stasińska (2002) y muestra la facturación de las dos líneas de oxígeno:

Esto significa que medir la metalicidad de una sola especie en general da dos soluciones para la metalicidad total. Afortunadamente, como la rotación es diferente para diferentes elementos, medir la metalicidad de varias especies puede limitar la metalicidad total.