[論文レビュー] Integrated Spectroscopy of Bulge Globular Clusters and Fields. II. Implications for stellar population models and elliptical galaxies

Claudia Maraston, L. Greggio+5 more|ArXiv.org|Sep 11, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 67

ひとこと要約

本稿では、強化された[$\alpha$/Fe]比を有する単純星族（SSP）モデルの経験的補正を提示しており、金属量の高い球状星団および銀河のバルジが、太陽比スケールのモデルが予測するよりもマグネシウムインデックスは強く、鉄インデックスは弱いことを示している。主な結果として、[$\alpha$/Fe] = +0.3の組成パターンが、あらゆる金属量で観測されたLickインデックスを正確に再現でき、初期期星族における$\alpha$-過剰の確認が得られた。

ABSTRACT

Synthetic Lick indices (e.g. Mg_2, Fe, etc.) of Simple Stellar Population (SSP) models are calibrated for the first time up to solar metallicity with a sample of Milky Way globular clusters (GCs) which includes the metal rich GCs of the Galactic bulge. This metallicity range is relevant to elliptical galaxies. It is shown that the Bulge GCs and integrated light follow the same correlation between Mg and Fe indices of elliptical galaxies, showing weaker Fe indices at given Mg indices with respect to models that assume solar-scaled abundances. This similarity is the robust empirical evidence for enhanced alpha/Fe ratios in the stellar populations of elliptical galaxies, since the globular clusters are independently known to be alpha-enhanced. The uniqueness of this alpha-overabundance solution is checked by exploring the whole range of model ingredients. We argue that the standard models reproduce the Mg-Fe correlation at low metallicities because the stellar templates used in the synthesis are the alpha-enhanced stars of the galactic Halo. These same models, however, fail to recover the Mg-Fe pattern of Bulge clusters and ellipticals at high metallicities because the high-metallicity templates are disk stars, which are not alpha-enhanced. The new SSP models by Thomas, Maraston & Bender (2002) which incorporate the dependence on alpha/Fe reproduce the Mg and Fe indices of GCs at all metallicities, with alpha/Fe=+0.3, which is in agreement with spectroscopic abundance determinations. The Balmer indices (Hbeta, Hdelta, Hgamma) are very well calibrated, provided the Horizontal Branch morphology is taken into account. In particular, we reproduce the Balmer lines of NGC 6388 and NGC 6441, which are metal-rich GCs with a tail of warm Horizontal Branch stars. {Abridged}

研究の動機と目的

• 太陽金属量$Z_\odot$の約1/30から$Z_\odot$までの広い金属量範囲において、ミルキーウェイのバルジ球状星団を用いて、単純星族（SSP）モデルにおける合成Lickインデックスの補正を行う。
• 太陽比スケールの元素比を仮定する標準SSPモデルが予測するのとは対照的に、楕円銀河における観測されたMgおよびFeインデックスの長年の不一致を解消する。
• 観測されたバルジ星団および楕円銀河におけるMg-Fe相関が、$\alpha$-元素の過剰に起因するものであり、他のモデルパラメータの変化によるものではないかを検証する。
• 特に金属量の多いおよび少ない領域において、銀河間星族の元素比を示す指標として、さまざまなLickインデックスの信頼性を評価する。
• 水平枝の形状および初期質量関数（IMF）が、金属量の多い星団におけるBalmer線インデックスに及ぼす影響を評価する。

提案手法

• 金属量の高いバルジ球状星団（例：NGC 6553、NGC 6528）を含む、ミルキーウェイの球状星団の統合スペクトルを用い、太陽金属量までSSPモデルの補正を拡張した。
• [$\alpha$/\mathrm{Fe}]を自由パラメータとして含むSSPモデルの予測値と、観測されたLickインデックス（$\mathrm{Mg}_2$、$\langle\mathrm{Fe}\rangle$、$\mathrm{H}\beta$など）を比較した。
• 異なる星の進化軌道、フィッティング関数、初期質量関数（IMF）を含むモデルパラメータ空間を探索し、モデルの一意性を検証した。
• NGC 6388およびNGC 6441に観測された温かい水平枝星（約10%）をSSP合成に組み込み、Balmer線インデックスをモデル化した。
• 動力学的質量分離効果に起因する、金属量が極めて少ない星団における現在の質量関数へのMgインデックスの感受性を評価した。
• 金属量にわたる楕円銀河、バルジ星団、および球状星団の観測傾向を、$\mathrm{Mg}_2$–$\langle\mathrm{Fe}\rangle$図を用いてモデル予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変な$[\alpha/\mathrm{Fe}]$比を持つSSPモデルは、金属量の高い球状星団および銀河のバルジで観測されたLickインデックスを再現できるか？
• RQ2 太陽比スケールの元素比を仮定する標準SSPモデルが、金属量の高い系（バルジ星団および楕円銀河）におけるMg-Fe相関を再現できないのはなぜか？
• RQ3 初期期星族における観測された$\alpha$-過剰は、$[\alpha/\mathrm{Fe}]$の変化によって一意に説明できるのか、それとも急峻なIMFがデータを説明できる可能性があるのか？
• RQ4 どのLickインデックスが、銀河間星族における$\alpha$-元素および鉄族元素の比を信頼できる指標として使えるか？
• RQ5 金属量の多い星団におけるBalmer線インデックスは、水平枝の形状にどの程度依存しており、その影響を正確にモデル化できるか？

主な発見

• バルジの球状星団および楕円銀河における観測されたMg-Fe相関は、$[\alpha/\mathrm{Fe}] = +0.3$のSSPモデルによってのみ正確に再現できる。太陽比スケールのモデルでは再現できない。
• 標準SSPモデルは高金属量（$[Z/H] \gtrsim -0.7$）で失敗する。これは、非$\alpha$-過剰の銀河ディスク星のテンプレートが使用されているためであり、低金属量モデルのテンプレートは$\alpha$-過剰を示すハロー星であるためである。
• 水平枝の形状（特に約10%の温かい星の尾）をモデルに組み込むことで、$\mathrm{H}\beta$および高次のBalmer線インデックスが良好に再現できる。
• 非常に金属量が少ない星族（$[Fe/H] \lesssim -1.8$）のMgインデックスは、主系列の低質量星に支配されており、したがって現在の質量関数に敏感であるため、金属量の指標としては信頼性に欠ける。
• $\mathrm{Mg}_2$、$\mathrm{Mg}_1$、$\mathrm{Mg}\,b$、$\mathrm{TiO}_1$、$\mathrm{TiO}_2$は$\alpha$-元素の指標として信頼できるが、Ca4455、NaD、Fe5782は適切にキャリブレーションされておらず、推奨されない。
• 楕円銀河における$[\alpha/\mathrm{Fe}]$比は光度に依存し、最も質量の大きな系では$+0.4$にまで上昇する。これは、星形成期間と銀河質量の相関を示唆している。