[論文レビュー] Deriving physical parameters of unresolved star clusters III. Application to M31 PHAT clusters

P. de Meulenaer, D. Narbutis+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、PHAT調査から得られた203個のM31星団のWFC3+ACS光度測定値に確率的星団モデルを適用し、金属量が自由に変化する場合でも年齢、質量、減光、金属量の正確な導出が可能であることを示した。WFC3+ACSシステムが頑健な光度的金属量測定を可能にすることを確認し、36個の巨大星団について、光度的値と分光的値の間に0.2デキシル以内の良好な一致が得られた。

ABSTRACT

This study is the third of a series that investigates the degeneracy and stochasticity problems present in the determination of physical parameters such as age, mass, extinction, and metallicity of partially resolved or unresolved star cluster populations situated in external galaxies when using broad-band photometry. This work tests the derivation of parameters of artificial star clusters using models with fixed and free metallicity for the WFC3+ACS photometric system. Then the method is applied to derive parameters of a sample of 203 star clusters in the Andromeda galaxy observed with the HST. Following Papers I \& II, the star cluster parameters are derived using a large grid of stochastic models that are compared to the observed cluster broad-band integrated WFC3+ACS magnitudes. We derive the age, mass, and extinction of the sample of M31 star clusters with one fixed metallicity in agreement with previous studies. Using artificial tests we demonstrate the ability of the WFC3+ACS photometric system to derive the metallicity of star clusters. We show that the metallicity derived using photometry of 36 massive M31 star clusters is in a good agreement with the metallicity previously derived using spectroscopy taken from literature.

研究の動機と目的

• 確率的モデルとWFC3+ACS光度測定システムを用いて、解像不能な星団の物理的パラメータ（年齢、質量、減光、金属量）をどれだけ正確に導出できるかを検証すること。
• 金属量を事前に固定しない場合に、WFC3+ACSシステムが信頼性を持って金属量を導出できるかどうかを評価すること、特に信号対雑音比が低い状態での性能を検討すること。
• M31のPHAT調査から得た実際の星団を用いて、本手法の妥当性を検証し、光度的結果と既存の分光的金属量を比較すること。
• 光度測定精度と星団質量が金属量導出精度に与える影響を定量化すること。
• 観測された金属量分布を踏まえて、若年M31星団に対して固定された太陽系金属量モデルが依然として有効な仮定であるかどうかを検討すること。

提案手法

• Kroupa IMFに基づくランダムな星質量サンプリングを用い、PADOVA等Age曲線（TP-AGB段階を含む）を用いて4次元の確率的星団モデルのグリッドを構築した。
• WFC3+ACS光度測定システム（フィルタ：F275W, F336W, F475W, F606W, F814W, F110W, F160W）を用い、Milky Wayの減光則（Cardelli et al. 1989）を適用し、E(B-V)を0から1まで0.01刻みで変化させた。
• ガウス誤差モデルを用いて各モデルノードの尤度を計算した：$ L_{\text{model}} = \prod_{f=1}^{F} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma_f} \exp\left[-\frac{(\text{mag}_{f,\text{obs}} - \text{mag}_{f,\text{model}})^2}{2\sigma_f^2} \right] $。
• 主な解析では金属量を自由に変化可能（[M/H] = +0.2 から -2.2 まで0.2刻み）としたが、固定された太陽系金属量のケースと比較した。
• 既知のパラメータを持つ人工星団を用いたテストを行い、光度測定誤差（σ = 0.05 mag）を変化させることで、パラメータ回復の精度とデゲネラシーの程度を評価した。
• 各星団について最良適合パラメータと信頼区間（68%、95%、99%）を特定するために、周辺化尤度マップを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量をモデルグリッド内で固定しない場合に、WFC3+ACS光度測定システムは解像不能な星団の金属量を正確に導出できるか？
• RQ2 光度測定精度（例：σ = 0.05 mag）が金属量その他の物理的パラメータ回復の精度にどのように影響するか？
• RQ3 巨大M31星団について、光度的に導出された金属量は、分光的値とどの程度一致するか？
• RQ4 観測された金属量分布を踏まえると、若年M31星団に対して固定された太陽系金属量の仮定は妥当であるか？
• RQ5 星団質量が光度的金属量推定の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• WFC3+ACS光度測定システムにより、金属量を自由に変化可能としても、解像不能な星団の年齢、質量、減光、金属量を正確に導出できる。
• 人工星団テストの結果、1フィルタあたりの光度測定誤差が0.05 magの場合、金属量は通常±0.2デキシルの精度で回復できる。
• Caldwell et al. (2011) の分光的研究と重複する36個の巨大M31星団について、光度的金属量は平均して分光的値と0.2デキシル以内で一致した。
• 若年星団（log(t/yr) < 9）の金属量分布は主に金属豊富で、大多数の星団が[M/H] > 0であるため、若年集団に対して太陽系またはそれ以上の金属量仮定が有効であることを裏付けた。
• 金属量差の散らばりは星団質量が小さくなるほど大きくなることから、低質量星団では信号対雑音比が金属量導出精度を制限することが示された。
• 低精度の光度測定（σ = 0.1 mag）でも、若年星団が金属豊富である可能性が高いことを正しく特定できており、パラメータのデゲネラシー解消に優れたロバストネスを示した。