[論文レビュー] Mortality and dust expulsion in early phases of stellar clusters. Evidence from NIR photometry of nearby, spiral galaxies

P. Grosboêl, H. Dottori|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、6つの近傍済みの渦巻銀河における若い星団複合体の近赤外 (J-K)–M_K 色mag図を用いて、初期段階の星団進化を調査する。モンテカルロシミュレーションと Starburst99 モデルを用いた星団集団のモデル化により、質量の大きな星団は、放射と超新星の作用によって5–10 Myrの間に急速に減光が減少することが判明した。これは、星団の初期死亡率が高く、年齢指数 γ = -1.4 ± 0.5 であることを示している。

ABSTRACT

It is often argued that young stellar clusters suffer a significant infant mortality that is partly related to the expulsion of dust and gas in their early phases caused by radiation pressure from hot stars and supernovae. Near-infrared (J-K)-Mk diagrams of young stellar clusters in nearby spiral galaxies show a bi-modal distribution that is consistent with a fast decline of their intrinsic extinction at an early epoch. The distinct features in the color-magnitude diagrams (CMD) and the fast change of colors for the youngest clusters allow us to place constraints on their early evolutionary phases, including the time scale for the decreasing extinction caused for instance by gas and dust expulsion. Monte Carlo simulations of cluster populations were performed using the power-law distribution function g(M, t) ~ M^a t^gam. Integrated colors were computed from Starburst99 models. The simulated near-infrared CMD were compared with those observed for six grand-design, spiral galaxies using statistical goodness-of-fit tests. The CMDs indicate a significant mortality of young, massive clusters with gam = -1.4 +-0.5. High initial extinction Av = 8-11m and strong nebular emission are required to reproduce the bi-modal color distributions of the clusters. An extended star formation phase of longer than 5 Myr is suggested. The reduction of the internal extinction of the clusters starts during their active star formation and lasts for a period of 5-10 Myr.

研究の動機と目的

• 若い星団の初期的進化段階、特にダストおよびガス排出の timescale を制約すること。
• 近傍の渦巻銀河における質量の大きな星団複合体の初期死亡率を定量化すること。
• 観測された近赤外 CMD における二峰性色分布が、フィードバック過程に起因する急速な減光低下と整合しているかどうかを検証すること。
• ネーブラー放射と減光則の役割が、観測された星団色を再現する上でどのように寄与するかを評価すること。
• 統計的集団合成と適合度検定を用いて、星団形成および破壊の歴史をモデル化すること。

提案手法

• 質量と年齢の依存性を表す累乗則分布関数 g(M, τ) ∝ M^α τ^γ を用いた、星団集団のモンテカルロシミュレーション。
• 星風99 (Starburst99) 星団モデルから得られる統合近赤外色に、ネーブラー放射と変化する減光則 (β = 1.8–2.0) を組み込んだ。
• 6つの銀河にわたる、シミュレートされた色mag図と観測された色mag図を比較するための統計的適合度検定 (コルモゴロフ・スミルノフ検定) を実施。
• モデルパラメータ (例: τ_x, dτ, A_V^x, M_u) を変化させ、最良の適合構成を特定。有意性は、集団補正済みの臨界値 D̂ を用いて評価。
• 統計的フラクチュエーションへの感受性を検証するため、異なる乱数シードを用いた5回の同一シミュレーションを実行し、パラメータの不確実性を推定 (±10%)。
• 星団進化軌道 (CET) は、減光低下段階中の色の進化を反映するようにモデル化されたが、CET の精緻化には分光データは使用しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 若い質量の大きな星団複合体において、内部減光がどの程度の timescale で低下するか？
• RQ2 星団の初期死亡率は年齢とともにどのように変化するか。また、その年齢指数 γ は何か？
• RQ3 ネーブラー放射が若い星団の近赤外色に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 観測された二峰性色分布を再現するには、初期および最終の視覚的減光量 (A_V) はそれぞれどの程度必要か？
• RQ5 星団複合体における星形成の停止よりも前に、減光の低下が開始されるのか、それともその後か？

主な発見

• 年齢指数 γ = -1.4 ± 0.5 は、時間の経過とともに若い質量の大きな星団の数が著しく減少することを示しており、高い初期死亡率を示唆している。
• 初期平均視覚的減光量 A_V^x は 8–11 mag であり、これはパドヴァモデルを用いると 3–4 mag (ほぼゼロに近い) に低下することが示され、初期段階での顕著なダスト減光を示している。
• 減光低下は星形成が活発な段階で開始され、5–10 Myrにわたって継続する。τ_x < τ_s であることから、星形成が終了する前に排出が開始されることが示唆される。
• β ≈ 1.8–2.0 で、ネーブラー放射が顕著なモデルが、特に若い星団の赤方シフト色を最もよく再現している。
• データに一致させるには、少なくとも5 Myrの延長された星形成段階が必要であり、τ_x = 2–15 Myr の場合、最良の適合を得るには短い τ_x と長い dτ が好ましい。
• 結果から、ダストおよびガス排出は初期の超新星に起因し、フィードバックが巨大分子雲を破壊するのは複数回の爆発の後であり、これが長期間にわたる星形成を可能にしていると考えられる。