[論文レビュー] The Besancon Galaxy model renewed I. Constraints on the local star formation history from Tycho data

M. Czekaj, A. C. Robin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用数 71

ひとこと要約

本論文は、Tycho-2全天光度データを用いて星形成歴（SFH）および初期質量関数（IMF）の制約を改善した、Besançon Galaxy Model（BGM）の刷新版を提示する。薄い円盤をIMF、SFR、進化曲線の自由パラメータでモデル化し、一貫性のある二重星生成を組み込むことで、SFRの低下と太陽系近傍における質量関数の傾きが約3.0に近い高質量側のIMFが得られ、Salpeterの傾きを除外し、太陽系近傍での星形成率の低下を支持する結果となった。

ABSTRACT

The understanding of Galaxy evolution can be facilitated by the use of population synthesis models, which allows us to test hypotheses on the star formation history, star evolution, and chemical and dynamical evolution of the Galaxy. The new version of the Besancon Galaxy model (hereafter BGM) aims to provide a more flexible and powerful tool to investigate the initial mass function (IMF) and star formation rate (SFR) of the Galactic disc. We present a new strategy for the generation of thin disc stars, which assumes the IMF, SFR and evolutionary tracks as free parameters. We have updated most of the ingredients for the star count production and, for the first time, binary stars are generated in a consistent way. The local dynamical self-consistency is maintained in this new scheme. We then compare simulations from the new model with Tycho-2 data and the local luminosity function, as a first test to verify and constrain the new ingredients. The effects of changing thirteen different ingredients of the model are systematically studied. For the first time, a full sky comparison is performed between BGM and data. This strategy allows us to constrain the IMF slope at high masses, which is found to be close to 3.0 and excludes a shallower slope such as Salpeter's one. The SFR is found decreasing whatever IMF is assumed. The model is compatible with a local dark matter density of 0.011 Mo/pc^3 implying that there is no compelling evidence for the significant amount of dark matter in the disc. While the model is fitted to Tycho-2 data, which is a magnitude limited sample with V<11, we check that it is still consistent with fainter stars. The new model constitutes a new basis for further comparisons with large scale surveys and is being prepared to become a powerful tool for the analysis of the Gaia mission data.

研究の動機と目的

• 初期質量関数（IMF）、星形成率（SFR）、星の進化軌道を独立して調整可能な、より柔軟で自己整合性のあるBesançon Galaxy Model（BGM）のバージョンを開発すること。
• 一貫性のある二重星生成を導入し、局所的力学的自己整合性を保ちながら、薄い円盤星のシミュレーションを改善すること。
• 全天のTycho-2データ（V < 11）および局所の等級関数を用いてIMFおよびSFRを制約し、観測結果と強固な統計的比較が可能なようにすること。
• モデルが過剰に青い星を生成しないかをテストし、これはSFRまたはIMFの不正確さを示唆するため、観測された星数を再現できるかを検証すること。
• Gaiaミッションデータの今後の分析の基盤を提供するため、モデルの正確性とパラメータのデグレダシー処理を向上させること。

提案手法

• IMFの傾き、SFRの変化、星の進化軌道の自由パラメータを用いて、薄い円盤星を生成し、これらの要素を独立して変化可能にする。
• F. Arenouが提供した詳細な実装戦略に従い、一貫性のある二重星生成を実施し、合成光度測定の現実性を向上させる。
• 全天の赤方偏移および減光補正のために、3次元の減光モデル（Marshall et al. 2006およびDrimmel & Spergel 2001）を適用する。
• 全天の星数シミュレーションをTycho-2データと直接比較し、モデルパラメータの全天的統計的妥当性を検証する。
• 13のモデル要因について系統的感度分析を実施し、シミュレートされた星数および色分布に与える影響を評価する。
• 局所の等級関数との整合性を検証し、明るさ限界を超える星（V > 14）に対しても一貫性があることを確認し、明るさ限界サンプルを超えた堅牢性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系近傍における観測されたTycho-2色-等級分布を最もよく再現するIMFの傾きは何か？
• RQ2 一定のSFRと減少するSFRのどちらがTycho-2調査の観測星数をよりよく再現するか？
• RQ3 Marshall et al. 2006とDrimmel & Spergel 2001の異なる減光モデルは、観測された星数を再現するモデルの能力にどのように影響するか？
• RQ4 モデルは、銀河平面内を含め、さまざまな銀河座標での観測された(B-V)T分布を再現できるか？
• RQ5 Tycho-2データは局所の暗黒物質密度にどのような制約を課すか？また、モデルは顕著な円盤型暗黒物質成分を支持するか？

主な発見

• モデルは高質量側のIMF傾きが約3.0に近い値を示し、Salpeterの傾き（α = 2.35）を強く除外する。これは、浅い傾きでは物理的に不自然なほど青い星の過剰生成を引き起こすためである。
• データと一致させるにはSFRの低下が必要である。どのIMFを用いても、一定のSFRでは青い星の著しい過剰生成が生じる。
• 局所の暗黒物質密度は0.011 M☉ pc⁻³と一致しており、顕著な円盤型暗黒物質成分の存在を支持する明確な証拠はない。
• 新しいモデルは、中程度および高銀緯でもTycho-2データを全天空にわたりうまく再現しており、明るさがV > 14の星に対しても一貫性を保っている。
• Kroupa-Haywood v6 IMFとHaywood-Robin IMFを組み合わせ、Aumer & Binney (2009)の減少SFRを用いた組み合わせがTycho-2データに最もよく適合する。
• モデルは、Tycho-2データが太陽系近傍における明るい星および中質量星の範囲でIMFおよびSFRに強い制約を課せることを示している。