[論文レビュー] Deriving physical parameters of unresolved star clusters. II. The degeneracies of age, mass, extinction, and metallicity

P. de Meulenaer, D. Narbutis+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 18被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、広帯域光度測定を用いた非分解星団の年齢、質量、減光、金属量の導出におけるデゲネラシーを調査し、光度誤差が小さい場合（光学域で0.05 mag、UVで0.15 mag）、ガレックス（GALEX）データが金属量のデゲネラシーを顕著に低減することを示している。一方、光学のみのシステムでは、金属量の違いに起因する強いデゲネラシーのため、金属量の正確な制約が得られない。

ABSTRACT

This paper is the second of a series that investigates the stochasticity and degeneracy problems that hinder the derivation of the age, mass, extinction, and metallicity of unresolved star clusters in external galaxies when broad-band photometry is used. While Paper I concentrated on deriving age, mass, and extinction of star clusters for one fixed metallicity, we here derive these parameters in case when metallicity is let free to vary. The results were obtained using several different filter systems ($UBVRI$, $UBVRIJHK$, GALEX+$UBVRI$), which allowed to optimally reduce the different degeneracies between the cluster physical parameters. The age, mass, and extinction of a sample of artificial star clusters were derived by comparing their broad-band integrated magnitudes with the magnitudes of a large grid of cluster models with various metallicities. A large collection of artificial clusters was studied to model the different degeneracies in the age, mass, extinction, and metallicity parameter space when stochasticity is taken into account in the cluster models. We show that, without prior knowledge on the metallicity, the optical bands ($UBVRI$) fail to allow a correct derivation of the age, mass, and extinction because of the strong degeneracies between models of different metallicities. Adding near-infrared information ($UBVRI$+$JHK$) slightly helps in improving the parameter derivation, except for the metallicity. Adding ultraviolet data (GALEX+$UBVRI$) helps significantly in deriving these parameters and allows constraining the metallicity when the photometric errors have a Gaussian distribution with standard deviations 0.05 mag for $UBVRI$ and 0.15 mag for the GALEX bands.

研究の動機と目的

• 非分解星団の広帯域光度測定から年齢、質量、減光、金属量を導出する際のデゲネラシーに、金属量の変動がどのように影響するかを調査すること。
• Stochasticity（確率的変動）を考慮した場合に、UBVRI、UBVRIJHK、GALEX+UBVRIといった異なる光度フィルターシステムがパラメータのデゲネラシーをどれほど効果的に解消できるかを評価すること。
• 非分解星団における信頼できる金属量制約を得るための最小光度測定精度を特定すること。
• 減光に関する事前知識が、年齢、質量、金属量回復の正確性を向上させる影響を評価すること。
• 正確な年齢と質量推定がなされても、光学のみの光度測定が異なる金属量を持つ星団を区別できない限界を定量化すること。

提案手法

• PADOVA等温線にTP-AGB補正を施したモデルを用い、年齢（log t/yr = 6.6 から 10.1）、質量（log M/M☉ = 2 から 5）、減光（E(B-V) = 0 から 1）、金属量（Z = 0.03 から 0.00013）の4次元離散星団モデルグリッドを構築した。
• Kroupa初期質量関数を用い、星の質量を確率的サンプリングすることで、既知の物理的パラメータ（年齢、質量、減光、金属量）を持つ人工星団を生成した。
• 観測された人工団の統合等級とモデルグリッドの等級を、カイ二乗最小化法を用いて比較し、最良適合パラメータを推定した。
• 複数のフィルターシステム（UBVRI、UBVRIJHK、GALEX+UBVRI）を用いて、パラメータ回復の正確性を、導出されたパラメータと入力値の比較によって評価した。
• 光度誤差レベル（UBVRIで0.05 mag、GALEXで0.15 mag）が、パラメータのデゲネラシーと回復忠実度に与える影響を評価した。
• 減光を既知のパラメータとして扱うか自由パラメータとして扱うかが、年齢、質量、金属量推定のバイアス低減に果たす役割を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量の変動は、非分解星団の光度測定による年齢、質量、減光の導出に、どのようにデゲネラシーを引き起こすか？
• RQ2 光学UBVRI光度測定に近赤外（JHK）バンドを追加することで、パラメータ推定におけるデゲネラシーはどの程度低減されるか？
• RQ3 紫外線（GALEX）光度測定を用いることで、現実的な光度誤差を想定した場合、非分解星団の金属量制約が顕著に改善されるか？
• RQ4 広帯域光度測定を用いて信頼できる金属量を導出するための最小光度測定精度はどの程度か？
• RQ5 多フィルタ光度測定分析において、減光に関する事前知識が、年齢、質量、金属量回復の正確性にどのように影響するか？

主な発見

• 光学UBVRI光度測定のみでは、光度誤差が小さくても、異なる金属量のモデル間で強いデゲネラシーが生じるため、金属量の正確な制約が得られない。
• 近赤外JHKバンドを追加することで、年齢と質量の回復がわずかに改善されるが、減光が未知の場合、金属量のデゲネラシーは顕著に低減されない。
• UBVRIフィルタにGALEX紫外線データを組み合わせることで、パラメータのデゲネラシーが顕著に低減され、光度誤差が ≤0.05 mag（光学）かつ ≤0.15 mag（UV）の場合、少なくとも50％の星団で正しい金属量回復が可能になる。
• GALEX+UBVRIシステムにおける赤端ベクトルは、若い年齢でのSSPシーケンスとほぼ平行であり、金属量に敏感なシーケンスの分離が可能になり、金属量と減光のデゲネラシーが低減される。
• 減光が事前に既知の場合、UBVRIJHK光度測定は金属量境界効果を低減し、Z = 0.005の星団に対しても、金属量回復が少なくとも55％の正確性で可能になる。
• 古星団（t > 300 Myr）では、UVフラックスが検出限界以下に低下するため、GALEX光度測定は効果を失い、近傍銀河の古星団に対してはその有用性が制限される。