We examine the mass–metallicity relation for z ≲ 1.6. The mass–metallicity relation follows a steep slope with a turnover, or "knee," at stellar masses around 1010 M☉. At stellar masses higher than the characteristic turnover mass, the mass–metallicity relation flattens as metallicities begin to saturate. We show that the redshift evolution of the mass–metallicity relation depends only on the evolution of the characteristic turnover mass. The relationship between metallicity and the stellar mass normalized to the characteristic turnover mass is independent of redshift. We find that the redshift-independent slope of the mass–metallicity relation is set by the slope of the relationship between gas mass and stellar mass. The turnover in the mass–metallicity relation occurs when the gas-phase oxygen abundance is high enough that the amount of oxygen locked up in low-mass stars is an appreciable fraction of the amount of oxygen produced by massive stars. The characteristic turnover mass is the stellar mass, where the stellar-to-gas mass ratio is unity. Numerical modeling suggests that the relationship between metallicity and the stellar-to-gas mass ratio is a redshift-independent, universal relationship followed by all galaxies as they evolve. The mass–metallicity relation originates from this more fundamental universal relationship between metallicity and the stellar-to-gas mass ratio. We test the validity of this universal metallicity relation in local galaxies where stellar mass, metallicity, and gas mass measurements are available. The data are consistent with a universal metallicity relation. We derive an equation for estimating the hydrogen gas mass from measurements of stellar mass and metallicity valid for z ≲ 1.6 and predict the cosmological evolution of galactic gas masses.

Abstract We present observations and analysis of the starburst PACS-819 at z = 1.45 ( M * = 10 10.7 M ⊙ ), using high-resolution (0.″1; 0.8 kpc) Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and multiwavelength JWST images from the COSMOS-Web program. Dissimilar to Hubble Space Telescope (HST) ACS images in the rest-frame UV, the redder NIRCam and MIRI images reveal a smooth central mass concentration and spiral-like features, atypical for such an intense starburst. Through dynamical modeling of the CO ( J = 5–4) emission with ALMA, PACS-819 is rotation dominated and thus consistent with having a disk-like nature. However, kinematic anomalies in CO and asymmetric features in the bluer JWST bands (e.g., F150W) support a more disturbed nature likely due to interactions. The JWST imaging further enables us to map the distribution of stellar mass and dust attenuation, thus clarifying the relationships between different structural components not discernible in the previous HST images. The CO ( J = 5–4) and far-infrared dust continuum emission are cospatial with a heavily obscured starbursting core (<1 kpc) that is partially surrounded by much less obscured star-forming structures including a prominent arc, possibly a tidally distorted dwarf galaxy, and a massive clump (detected in CO), likely a recently accreted low-mass satellite. With spatially resolved maps, we find a high molecular gas fraction in the central area reaching ∼3 ( M gas / M * ) and short depletion times ( M gas /SFR ∼ 120 Myr, where SFR is star formation rate) across the entire system. These observations provide insights into the complex nature of starbursts in the distant Universe and underscore the wealth of complementary information from high-resolution observations with both ALMA and JWST.

The increasingly neutral intergalactic gas at z > 6 impacts the Lyman- α (Ly α ) flux observed from galaxies. One luminous galaxy, COLA1, stands out because of its unique double-peaked Ly α line at z = 6.6, unseen in any simulation of reionization. Here, we present JWST/NIRCam wide-field slitless spectroscopy in a 21 arcmin 2 field centered on COLA1. We find 141 galaxies spectroscopically selected through the [O III ] doublet at 5.35 < z < 6.95, with 40 of these sources showing H β . For COLA1, we additionally detect [O III ] 4363 as well as H γ . We measure a systemic redshift of z = 6.5917 for COLA1, confirming the classical double-peak nature of the Ly α profile. This implies that it resides in a highly ionized bubble and that it is leaking ionizing photons with a high escape fraction of f esc (LyC) = 20–50%, making it a prime laboratory to study Lyman continuum escape in the Epoch of Reionization. COLA1 shows all the signs of a prolific ionizer with a Ly α escape fraction of 81 ± 5%, Balmer decrement indicating no dust, a steep UV slope ( β UV = −3.2 ± 0.4), and a star-formation surface density ≳10× that of typical galaxies at similar redshift. We detect five galaxies in COLA1’s close environment (Δ z < 0.02). Exploiting the high spectroscopic completeness inherent to grism surveys, and using mock simulations that fully mimic the selection function, we show that the number of detected companions is very typical for a normal similarly UV-bright ( M UV ∼ −21.3) galaxy – that is, the ionized bubble around COLA1 is unlikely to be due to an excessively large over-density. Instead, the measured ionizing properties suggest that COLA1 by itself might be powering the bubble required to explain its double-peaked Ly α profile ( R ion ≈ 0.7 pMpc), with only minor contributions from detected neighbors (−19.5 ≲ M UV ≲ −17.5).