[論文レビュー] Physical limits to the validity of synthesis models: The Lowest Luminosity Limit

M. Cerviño, V. Luridiana|ArXiv.org|Apr 2, 2003

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 33被引用数 81

ひとこと要約

本稿では、低質量クラスタにおける初期質量関数（IMF）の不十分なサンプリングによって、星団合成モデルの信頼性が低下する際の簡単で物理的根拠を持つ基準として、最低光度限界（LLL）を導入する。等回折線における最も質量の大きな星の光度としてLLLを定義することで、色の偏りが著しく生じる最小クラスタ質量（$\mathcal{M}^{\text{min}}$）を導出する。この限界は特に近赤外域（Kバンドで10⁴–10⁵ M⊙）においてきびしく、この閾値に近いクラスタでは顕著な光度分散（≥32%）と色分布の歪みが見られ、これが観測された球状星団における色の偏りを説明する要因である可能性を示している。

ABSTRACT

(abriged) In this paper we establish a Lowest Luminosity Limit (LLL) for the use of synthesis codes. The limit is defined by the following statement: The total luminosity of the cluster modeled must be larger than the individual contribution of any of the stars included in the assumed isochrones. This limit is independent of the assumptions on the IMF and almost independent on the star formation history. We have obtained the LLL for a wide range of ages (5 Myr to 20 Gyr) and metallicities (Z=0 to Z=0.019) from Girardi et al. (2002) isochrones. Using the LLL and the results of evolutionary synthesis models we have also obtained the minimal cluster mass, Mmin, for which the results of synthesis models may suffer from a severe bias in the computation of colors. We show that the results of synthesis models for clusters with mass equal to Mmin have a relative dispersion about or larger than 32% (i.e. a dispersion of 0.35 mag) in the corresponding photometric bands. This effect is more important for near infrared bands (except in the case where Asymptotic Giant Branch stars dominate the luminosity in optical bands). In particular, Mmin takes values between 10^4 and 10^5 Mo for the K band. From the observational point of view, we show that in surveys that reach luminosities near the LLL, the color distributions will be skewed toward the color with lower effective sources (toward the red in general), and that the skewness is a signature of the distribution of initial cluster masses in the survey. We also apply the LLL to Globular Clusters showing that sampling effects are relevant in these clusters and that they can explain (at least partially) the bias of the observed colors with respect to the predictions of synthesis models.

研究の動機と目的

• 低質量クラスタにおける初期質量関数の不完全なサンプリングによって生じる星団合成モデルの信頼性喪失を、物理的根拠に基づいた単純な基準として特定すること。
• 初期質量関数（IMF）や星形成歴の仮定に依存しない、等回折線における最も質量の大きな星の光度として最低光度限界（LLL）を定義すること。
• 観測された色がモデル予測と著しくずれる最小クラスタ質量（$\mathcal{M}^{\text{min}}$）を導出すること。
• 最小クラスタ質量付近での星の明るさの統計的分散を定量化し、それが観測された色分布の歪みと関連することを示すこと。
• サンプリング効果が観測された球状星団に与える影響を評価し、特に合成モデル予測との色の不一致を説明する要因となるかどうかを検討すること。

提案手法

• LLLは、Girardiら（2002）の進化 tracks を用い、広範な年齢範囲（5 Myr から 20 Gyr）および金属量範囲（Z = 0 から Z = 0.019）において、特定の等回折線における最も質量の大きな星の光度として定義される。
• 最小クラスタ質量 $\mathcal{M}^{\text{min}}$ は、クラスタの全光度がLLLに等しくなるように計算され、クラスタに最も明るい星しか存在しないと仮定する。
• 明るさの統計的分散は、Cerviño ら（2002b）の解析的枠組みを用いて推定され、連続的なIMF近似から観測量の平均、分散、相関を計算する。
• クラスタ質量が $\mathcal{M}^{\text{min}}$ および $10 \times \mathcal{M}^{\text{min}}$ の場合の各フィルタバンドにおける相対的分散を計算し、光度分散の定量的境界を導出する。
• 本手法は、観測調査の色分布およびNGC 5128の球状星団サンプルに適用され、歪みや偏りの有無を検証する。
• モンテカルロシミュレーションと比較することで、本手法が低数星系において特に重要な統計的傾向を捉えられることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期質量関数（IMF）のサンプリングが不十分であるために、星団合成モデルの妥当性が崩れ始める光度はどの程度か？
• RQ2 観測色が合成モデル予測と著しくずれる最小クラスタ質量（$\mathcal{M}^{\text{min}}$）はどの程度か？
• RQ3 クラスタ質量に応じて、明るさの相対的分散はどのように変化するか、特に $\mathcal{M}^{\text{min}}$ および $10 \times \mathcal{M}^{\text{min}}$ 付近でどうなるか？
• RQ4 サンプリング効果が、球状星団と合成モデル予測との間で観測された色の不一致をどの程度説明できるか？
• RQ5 調査で得られた色分布の歪みは、背後にあるクラスタ質量関数のサインとして用いられる可能性があるか？

主な発見

• 最低光度限界（LLL）は、等回折線における最も質量の大きな星の光度として定義され、モデルの有効性の簡単で物理的根拠を持つしきい値を提供する。
• 色の偏りを回避するための最小クラスタ質量 $\mathcal{M}^{\text{min}}$ は、Kバンドで年齢や金属量に応じて10⁴～10⁵ M⊙の範囲に位置する。
• 質量が $\mathcal{M}^{\text{min}}$ に等しいクラスタでは、すべての光度バンドで少なくとも32%（0.35 mag）の相対的明るさ分散が見られる。
• 質量が $\mathcal{M}^{\text{min}}$ の10倍のクラスタでも、少なくとも10%の相対的分散が残っており、中程度の質量クラスタに対してもサンプリング効果が継続していることが示唆される。
• LLLに達する調査の色分布は、効果的源数が最小である（通常は赤い）色に向かって歪んでいる。これは、サンプリングが不完全であるためである。
• サンプリング効果が、特に近赤外域で観測された球状星団の色が合成モデル予測とずれている現象に寄与している可能性が高く、これが主な要因である可能性がある。