[論文レビュー] ACS imaging of star clusters in M51. I. Identification and radius distribution

R. A. Scheepmaker, M. Haas+4 more|ArXiv.org|Apr 26, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 60

ひとこと要約

本研究では、ハッブル宇宙望遠鏡/ACSの画像を用いてM51に7,698個の星団を特定し、高精度で有効半径を測定した。星団の半径は0.5〜21.6 pcの範囲にあり、中央値は2.1 pcであり、非累乗則的半径分布が明らかになった。これは、形成直後の動的進化が一様でないことを示唆する。スパイラル腕内の星団はよりコンパクトであり、色で示される年齢とともに半径が増加する傾向があるが、強い質量-半径相関は観測されなかった。

ABSTRACT

We use HST/ACS observations of the spiral galaxy M51 in F435W, F555W and F814W to select a large sample of star clusters with accurate effective radius measurements in an area covering the complete disc of M51. We present the dataset and study the radius distribution and relations between radius, colour, arm/interarm region, galactocentric distance, mass and age. We select a sample of 7698 (F435W), 6846 (F555W) and 5024 (F814W) slightly resolved clusters and derive their effective radii by fitting the spatial profiles with analytical models convolved with the point spread function. The radii of 1284 clusters are studied in detail. We find cluster radii between 0.5 and ~10 pc, and one exceptionally large cluster candidate with a radius of 21.6 pc. The median radius is 2.1 pc. We find 70 clusters in our sample which have colours consistent with being old GC candidates and we find 6 new "faint fuzzy" clusters in, or projected onto, the disc of M51. The radius distribution can not be fitted with a power law, but a log-normal distribution provides a reasonable fit to the data. This indicates that shortly after the formation of the clusters from a fractal gas, their radii have changed in a non-uniform way. We find an increase in radius with colour as well as a higher fraction of redder clusters in the interarm regions, suggesting that clusters in spiral arms are more compact. We find a correlation between radius and galactocentric distance which is considerably weaker than the observed correlation for old Milky Way GCs. We find weak relations between cluster luminosity and radius, but we do not observe a correlation between cluster mass and radius.

研究の動機と目的

• ハッブル宇宙望遠鏡/ACSデータを用いて、スパイラル銀河M51内の多数の星団を特定し、有効半径を測定すること。
• 若年齢および中年齢星団の半径分布を調査し、星形成雲の理論的モデルと比較すること。
• 銀河中心からの距離、明るさ、色、年齢、環境（スパイラル腕対間隔領域）といった物理的パラメータと星団有効半径との相関を検討すること。
• 色と空間的位置の傾向を分析することで、星団サイズの動的進化の証拠を探索すること。
• M51のディスクに存在する古星団候補および明るさの弱い曇った星団を特定すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡アーカイブから、M51ディスクの深さACS F435W、F555W、F814W画像を取得した。
• 3つのフィルタで得られた光度的および形態的基準を用いて、わずかに解像された7,698個の星団を特定した。
• 観測された星団の表面輝度プロファイルを、望遠鏡のポイント spread 関数（PSF）で畳み込んだ解析的モデルでフィットさせ、1,284個の星団について高精度で有効半径（$R_{\text{eff}}$）を導出した。
• 色-色図および色-等級図の基準を用いて、星団の年齢と金属量を推定し、古星団候補および明るさの弱い曇った星団を分類した。
• 半径分布を分析し、累乗則フィットの有効性を検証し、星形成雲および古銀河の球状星団と比較した。
• ガラクティック中心からの距離、明るさ、質量、環境（スパイラル腕対間隔領域）との$R_{\text{eff}}$相関を統計的に分析し、累乗則フィットと誤差伝搬を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M51ディスクの星団における有効半径の分布はどのようなものか。また、星形成分子雲の半径分布と比較するとどうなるか。
• RQ2 星団有効半径とガラクティック中心からの距離との間に相関があるか。また、古銀河の球状星団で観測された関係と比較するとどうなるか。
• RQ3 スパイラル腕内の星団は間隔領域の星団とサイズが異なるか。これは環境的圧力または形成歴史と関係があるか。
• RQ4 星団質量と有効半径との間に測定可能な相関があるか。その相関の欠如は、初期星団進化に何を示唆するか。
• RQ5 星団半径が色（年齢の代理指標として）とどのように相関するか。これは時間経過に伴う動的拡張に何を示唆するか。

主な発見

• M51星団の有効半径分布は0.5〜約10 pcの範囲にあり、中央値は2.1 pcであり、$R_{\text{eff}} = 21.6$ pcの非常に大きな星団候補が1個存在する。
• 星形成雲のものとは異なり、半径分布が累乗則に従わないことから、星団形成直後の動的進化が一様でないことが示唆される。
• スパイラル腕内の星団の中央値半径（1.9 pc）は、間隔領域の星団（2.7 pc）よりも小さい。これは、高圧環境に存在する星団がよりコンパクトであることを示唆する。
• 有効半径とガラクティック中心からの距離との間に弱い相関が認められ、$R_{\text{eff}} \rightarrow R_{\text{G}}^{0.12 /pm 0.02}$のスケーリング関係を示すが、古銀河の球状星団で観測された関係と比べてはるかに弱い。
• 271個の星団について正確な質量推定がなされたが、星団質量と有効半径との間に顕著な相関は認められなかった。
• 明るさ-半径関係は弱いが観測された：間隔領域では$R_{\text{eff}} \rightarrow L^{0.15 /pm 0.02}$、スパイラル腕では$R_{\text{eff}} \rightarrow L^{-0.11 /pm 0.01}$。これは環境依存のサイズ進化を示唆する。