[論文レビュー] Determination of the globular cluster and halo stellar mass functions and stellar and brown dwarf densities

G. Chabrier, Dominique Méra|arXiv (Cornell University)|May 9, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、観測された等級関数をボロメトリック等級関数および質量関数に変換するための低質量星モデルを用いて、球状星団および銀河のハローにおける恒星および褐色矮星の質量関数を決定する。結果として、0.1 M☉まで低下する球状星団のスケールで、α ≈ 1.7 ± 0.2 の普遍的なべき乗則的質量関数が得られ、褐色矮星および低質量星が顕著な暗黒物質候補であることを排除し、それらの寄与が銀河の暗黒物質密度の ≤1% に制限されることを示した。

ABSTRACT

We use recent low-mass star models, which reproduce accurately the observed sequences of various globular clusters, to convert the observed luminosity functions into bolometric luminosity functions and mass functions down to the bottom of the main sequence. These mass functions are well describedby a slowly rising power-law $dN/dm\propto m^{-α}$, with $0.5\wig < α\wig < 1.5$, down to $\sim 0.1 \msol$, independently of the metallicity, suggesting a rather universal behaviour of the cluster initial mass functions. We predict luminosity functions in the NICMOS filters in the stellar and in the brown dwarf domains for different mass functions and metallicities. We apply these calculations to the determination, slope and normalization, of the mass function of the Galactic halo (spheroid and dark halo). The spheroid mass function is well described by the afore-mentioned power-law function with $α\sim 1.7\pm 0.2$ down to 0.1 $\msol$, although a slowly decreasing mass function below $\sim 0.15 \msol$ can not be excluded with the data presently available. Comparison with the Hubble Deep Field star counts is consistent with such a mass function and excludes a significant stellar population in the dark halo. Consistent analysis with recent microlensing experiments towards the LMC shows that the spheroid and the dark-halo stellar+brown dwarf populations represent at most $\sim$ 1% of the Galactic dark matter density. This clearly excludes brown dwarfs and low-mass stars as significant dark matter candidates.

研究の動機と目的

• 観測された等級関数を用いて、球状星団および銀河のハローにおける恒星および褐色矮星の質量関数を決定すること。
• 球状星団における異なる金属量における初期質量関数の普遍性を評価すること。
• 低質量星および褐色矮星が銀河の暗黒物質予算に与える寄与を制限すること。
• 理論的予測とハッブル深宇宙フィールドおよび微小レンズ効果調査からの観測データを比較すること。
• 導出された質量関数が、既存の恒星および褐色矮星集団モデルと整合しているかを評価すること。

提案手法

• 球状星団の観測された色-等級関係を正確に再現する最新の低質量星モデルの使用。
• モデル依存のボロメトリック補正を用いて、観測された等級関数をボロメトリック等級関数に変換すること。
• 関係式 dN/dm ∝ m^−α を用いて、データにべき乗則の適合を施し、質量関数を導出すること。
• 一貫性のある星のモデルおよび金属量依存性を用いて、質量関数を褐色矮星領域に外挿すること。
• さまざまな質量関数および金属量における近赤外 (NICMOS) フィルター等級関数の予測。
• ハッブル深宇宙フィールドおよびLMC方向への微小レンズ効果調査からの予測された星数と観測された星数の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団における初期質量関数は、異なる金属量において普遍的か？
• RQ2 銀河のスフィアロイドにおける恒星および褐色矮星の質量関数の勾配と正規化定数は何か？
• RQ3 低質量星および褐色矮星が銀河の暗黒物質密度にどの程度寄与できるか？
• RQ4 観測されたハッブル深宇宙フィールドの星数は、導出された質量関数と整合的か？
• RQ5 LMC方向への微小レンズ効果観測は、銀河の暗黒ハローに多数の星および褐色矮星が存在することを支持するか？

主な発見

• 球状星団の質量関数は、金属量に依存せず、0.5 から 1.5 の間でゆっくり上昇するべき乗則的関数に従い、約 0.1 M☉ まで普遍的な初期質量関数であることを示唆している。
• 銀河のスフィアロイドの質量関数は、0.1 M☉ までべき乗則でよく記述され、α ≈ 1.7 ± 0.2 であるが、0.15 M☉ 未満でわずかに減少する可能性は現在のデータでは排除できない。
• ハッブル深宇宙フィールドの星数との比較により、導出された質量関数が支持され、暗黒ハローに顕著な星集団が存在しないことが示された。
• LMC方向への微小レンズ効果実験では、スフィアロイドおよび暗黒ハロー内の星および褐色矮星集団が、銀河の暗黒物質密度に最大で約 1% の寄与しかしないことが判明した。
• 結果は、褐色矮星および低質量星が銀河の暗黒物質の顕著な寄与要因であることを明確に除外した。
• 分析により、理論的質量関数が深宇宙調査および微小レンズ効果からの観測的制約と整合していることが確認された。