We have studied evolution of massive star-forming galaxies in the redshift desert, 1.4 < z < 2.5,based on NIR spectra, primarily targetting on Hα emission line from BzK-selected star-forming galaxies （sBzKs）.

In total 27 specta of sBzKs were obtained with OHS/CISCO on Subaru Telescope and SINFONI on VLT. We detected Hα emission line from 10 sBzKs at the redshift of z = 1.53-2.40 with Hα flux in the range of f（Hα） = （7.4-49）×10-17 ergss-1cm-2Å-1. Combining Hα fluxes with broad band SEDs, we derived stellar masses of log（M★/MΘ） = 10.2-11.6, dust extinctions of E（B - V） = 0.15-0.65, and extinction corrected SFRs in the range of 60-1370 MΘyr-1. Further we derived gas-phase oxygen abundances from [N II]/Hα emission line ratios, and the resulting metallicities range in 12 + log（O/H） = 8.6-9.3, most of which is larger than the solar oxygen abundance. In addition, we estimated dynamical masses of individual sBzKs and dynamical masses of log（Mdyn/MΘ） = 10.6-11.7 are yielded. Resulting dynamical masses of sBzKs are compared with those of other galaxy populations at z 〓 2, such as DRGs, LBGs, and SMGs, and we find that dynamical masses of sBzKs are more consistent with DRGs and SMGs, while they are in average about factor of 10 larger than those of LBGs at z 〓 2.

The mass-metallicity （M-Z） relation of sBzKs is examined. M-Z relation of sBzKs are found in the sense that massive galaxies tend to be metal-rich, though it is weak. We further compare them with the M-Z relation at z 0.1 and z 0.7, adding further z 〓 2 galaxies from the literatures. In the comparison, it is essential to use the identical calibrations of metallicity and stellar mass, thus we take intensive care to derive each quantity. About half of present sBzK sample has similar metallicities inferred from the local relation which is consistent with DRGs, while the remaining sBzKs have lower metallicities consistent with LBGs. All but one galaxies in present sample at z 〓 2 have stellar masses in the narrow range of 10.5 〓 log M★/MΘ 〓 11.5, with large scatter in metallicity. This resembles in "turn-off" region seen in the M-Z relation at z 〓 0.7. The turn-off in the M-Z relation at z 〓 0.7 locates around log M★/MΘ 〓 10.3, while z 〓 2 galaxies show it at log M★/MΘ 〓 11, which indicates that active star-formation at z 〓 2 takes place at more massive galaxies than z 〓 0.7. This finding is consistent with "down-sizing" evolution of galaxy in which massive galaxies form their stars at earlier epoch.

Then we examined the relation between specific SFR （SSFR） and stellar mass. sBzKs as well as DRGs/LBGs/SMGs have significantly higher SSFR than the local relation from SDSS at a fixed mass. Among these z 〓 2 populations, SMGs are paticularly higher SSFR, which might indicates that instantaneous burst are being induced by violent dynamical phenomena such as major mergers. Compared with SSFRs at z = 0.1, these higher SSFRs of galaxies at z 〓 2 indicate that they are acquiring most of their stellar mass at this epoch.

We compared these observed scaling relations with model predictions from PEGASE.2. Simple and infall models are assumed with varying star-formation and infall time scales. The observed trends of z 〓 2 galaxy population are well explained simultaneously by models with short time scale, Tsf = 100 Myr and initial galaxy total mass of 1011 < M★/MΘ < 1012, while models with longer time scale cannot reproduce the observed trends. This resulting range of age is in fact consistent with the epoch of galactic wind to explain the CM relations of the Virgo and Coma clusters.

Finally sBzKs as well as other galaxy populations at z 〓 2 were compared with elliptical galaxies in the Fornax cluster through [Fe/H]-logσ relation. Conversion from gas metallicity to stellar metallicity is carried with model tracks since conversion is almost independent of star-formation history and assumed IMF so far as one-zone models are assumed. The resulting [Fe/H]-logσ relation of z 〓 2 galaxies are almost identical to that of elliptical galaxies in the Fornax cluster. Therefore in terms of stellar metallicity, it is indicated that sBzKs and other z 〓 2 galaxies could be almost fully assembled even at z 〓 2.

With the knowledge on the clustering strength and number/mass densities of sBzKs from optical/NIR imaging data together with FIR properties from MAMBO observations, properties of sBzKs are characterized by: large stellar mass, active star-formation with short time scale but bright K-band flux, metal-rich both in gas and star, strong clustering, and enough number density to accout for local massive ellipticals if combined with pBzKs. From these observational results, we would conclude that sBzKs are likely to be a progenitor of massive early-type galaxies at z 〓 0.

Although relatively unbiased nature of BzK-selection and scatter in the M-Z relation indicate that various evolutionary phases could be mixed in the sBzK sample, this scatter may give us a hint to an evolutionary scenario in which a massive metal-poor sBzK experiences vigorous starburst phase from now on, then becomes the submillimeter brightest phase induced by major mergers with significant metal production, and finally gets on the local M-Z relation as normal sBzK galaxies. This could occur in the time scale less than 1 Gyr, and after that time scale passed, star-formation could quenched by strong feedbacks such as SNe driven winds and/or AGN heating. Here transition from an sBzK to a passive early-type galaxy would achieved, which could name as the the evolutionary transition of massive galaxies.

近年、宇宙の大構造を記述するシナリオとして冷たい暗黒物質（CDM） シナリオが有力と考えられるようになってきた。一方、このシナリオでは銀河がいつ、どのように誕生し、進化してきたかについては多くの可能性を残しており、未だその道筋は定まっていない。この問題は高赤方偏移の銀河の諸性質を調べることによって明らかにすることができるが、最近の研究から、「赤方偏移の砂漠」と称される赤方偏移z ' 2 付近の銀河の観測が特に重要であることがわかってきた。

本論文は、このような背景から、遠方銀河サーベイで得られた1:5 < z < 2:5 の銀河の近赤外線分光観測を行い、その質量や金属量などの諸量を求めることによって、銀河形成と進化の道筋を新しい観点から議論したものである。

本論文は4章から構成される。第1章は序説であり、CDMシナリオによる大質量銀河の形成時期について、理論モデルの結論が収束していない現状が概説されている。これら理論モデルの振る舞いはz〓2 で違いが生じるため、その付近の赤方偏移をもつ銀河を多数観測する統計的研究が重要であることが述べられている。また、銀河サーベイ観測によってこの付近の赤方偏移をもつ銀河を絞り込む方法が概説されている。なかでも本論文で採用したB、z、K の3バンドの方法は1:5 < z < 2:5 に存在する星形成銀河（sBzK 銀河）を約90% という高確率で絞り込むことができることが述べられている。

第2章ではsBzK 銀河の近赤外線分光観測とデータ解析の結果の詳細が述べられている。ここで選定したサンプルは、すばる望遠鏡とVLT 望遠鏡による遠方銀河サーベイで得られた1.5<z<2.5にあるsBzK銀河のうちの27天体で、これに対して、すばる望遠鏡のCISCO/OHS観測装置、またVLT望遠鏡のSINFONI観測装置を用いて、近赤外線分光観測をおこなった。観測した27天体のうち、10天体からHR輝線を検出し、強度を測定した。このHR輝線強度と撮像観測の結果を組み合わせ、星として存在する質量、ダスト減光量、ダスト減光を補正した星形成率をそれぞれ、M★=1010.2-11.6M〓、E（B-V）=0.15-0.65、SFR=60-1370M〓yr-1と求め、Hαと[NII]λ6583 の強度比から金属量を12+log（O/H）=8.6-9.3 と求めた。さらに、その輝線幅から力学的質量をMdyn = 1010.6-11.7M〓と求めた。特に、星形成率をHα輝線を用いてより高い信頼度で推定したこと、さらに金属量や力学的質量を分光観測によってはじめて明らかにしたことは、銀河進化を研究する上で極めて重要な進展と考えることができる。

第3章では得られた1.5<z <2.5のsBzK 銀河の諸量に基づいて、大質量銀河の形成と進化の道筋を、独自の観点から論じている。まず、星質量と金属量の関係を調べた。その結果、今回のサンプルが大質量のものに限られているため、近傍で見られるような特別な相関を検出することはできないが、むしろ同程度の質量の銀河において金属量に顕著な分散が存在することがわかった。次に、星質量と単位質量当たりの星形成率と質量の関係1を調べた。その結果、z〓2 のsBzK 銀河は、SDSS サーベイで得られた近傍銀河に比べて2 桁ほど系統的に高い星形成率を持ち、銀河全体が激しい星形成を行なっている状況にあることがわかった。これらの結果を単純な単一領域モデルを用いて解釈すると、星質量と金属量の関係及び星質量と単位質量当たりの星形成率の関係を同時に説明するためには、大きな初期質量1011!12M￣ の銀河が約1億年という短い時間スケールで星を形成しなければならないことがわかった。このことは、大質量銀河はz〓2 の時期に既に存在し、この時期に活発な星形成によって金属量を大きく増加させることを意味し、まさに銀河形成の現場を観測的に捕えたと考えることができる。

第4章は結論である。

以上、本論文は近赤外分光観測からz〓2 のsBzK 銀河が現在の大質量楕円銀河の祖先として非常に有力であることを示唆したものであり、銀河の形成と進化の道筋を明らかにする上で重要な手がかりとなる数多くの観測事実を新たに導き出した先駆的研究として高く評価できる。

なお、本論文の一部は共同研究によるものであるが、論文提出者が主体となって解析及び解釈を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。よって、審査員全員一致で博士（理学） の学位を授与できると認める。2