[論文レビュー] The Future of IMF studies with the ELT and MICADO I: The local Universe as a resolved IMF laboratory

Kieran Leschinski, J. Alves|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、極大望遠鏡（ELT）搭載のMICADO機器が、近傍宇宙の高密度な若い星団において星形成関数（IMF）を解像可能であることを示している。LMCでは0.1 M⊙までの星を検出可能であり、5 Mpcまでの距離で1,500個以上の星団でサルペターの傾きを直接測定可能となる。ハッブル宇宙望遠鏡の解像度の100倍以上であり、ハッブルが解像可能な星団の10倍、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が解像可能な星団の100倍以上に及ぶ高密度星団を解像可能となる。これにより、近傍宇宙は、IMFの普遍性を検証するための解像されたIMF実験室となる。

ABSTRACT

Aims. In this work we aim to estimate the lowest stellar mass that MICADO at the ELT will be able to reliably detect given a stellar density and distance. We also show that instrumental effects that will play a critical role, and report the number of young clusters that will be accessible for IMF studies in the local Universe with the ELT. Methods. We used SimCADO, the instrument simulator package for the MICADO camera, to generate observations of 56 dense stellar regions with densities similar to the cores of young stellar clusters. We placed the cluster fields at distances between 8 kpc and 5 Mpc from the Earth, implying core densities from 10^2 to 10^5 stars arcsec^-2, and determined the lowest reliably observable mass for each stellar field through point-spread function (PSF) fitting photometry. Results. Our results show that stellar densities of <10^3 stars arcsec^-2 will be easily resolvable by MICADO. The lowest reliably observable mass in the Large Magellanic Cloud will be around 0.1 Msun for clusters with densities <10^3 stars arcsec^-2. MICADO will be able to access the stellar content of the cores of all dense young stellar clusters in the Magellanic Clouds, allowing the peak and shape of the IMF to be studied in great detail outside the Milky Way. At a distance of 2 Mpc, all stars with M > 2 Msun will be resolved in fields of <10^4 stars arcsec^-2 , allowing the high-mass end of the IMF to be studied in all galaxies out to and including NGC300.

研究の動機と目的

• ELT搭載のMICADOが、近傍宇宙の高密度な若い星団において、どの程度の低質量星を検出可能であるかを特定すること。
• 星団の密度や距離の変動に伴う点像関数（PSF）フィッティングの制限などの機器的要因を評価すること。
• Milky Wayおよび近傍銀河における、ELTを用いた直接的なIMF研究が可能な若い星団の数を推定すること。
• 特に低質量および高質量領域において、MICADOがIMFの形状と傾きを、銀河系外でどの程度まで探査可能であるかを評価すること。
• 多様な環境にわたる広範な星団サンプルにおける解像されたIMF測定を可能にすることで、IMFの普遍性を検証すること。

提案手法

• SimCADO（MICADO機器シミュレータ）を用いて、1平方秒角あたり10²～10⁵個の星が存在する56の高密度星領域を模擬した観測データを生成した。
• 星団の距離は8 kpcから5 Mpcの範囲であり、Milky WayからM31やNGC 300といった近傍銀河をカバーする。
• 各模擬領域における最低でも信頼性を持って検出可能な質量を特定するために、PSFフィッティング光度測定法を用いた。
• 分析は、LMCにおける0.1 M⊙までの星の検出、および2 Mpcの距離における2 M⊙以上の星の検出に焦点を当て、星団密度の変動を考慮した。
• 入力フィールドとして、Portegies Zwartら（2010）が報告した観測された星団パラメータ（年齢、質量、コア半径）を用いた。
• 利用可能な星団数の推定には、星形成率（SFR）データと星団カタログを用い、ELTの赤緯範囲内に位置するものをフィルタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ELT搭載のMICADOが、さまざまな距離および密度の高密度な若い星団において、どの程度の低質量星を信頼性を持って検出可能であるか？
• RQ2 近傍宇宙のどの程度の若い高密度星団が、MICADOを用いた解像されたIMF研究が可能となるか？
• RQ3 5 Mpcまでの距離で、銀河系外星団の高質量領域（M > 2 M⊙）をMICADOがどの程度まで解像可能か？
• RQ4 MICADOは、銀河系外の星団において、サルペターのIMF傾きを直接測定可能か？また、そのような星団はいくつ存在するか？
• RQ5 MICADOの解像度は、ハッブル宇宙望遠鏡およびジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に比べ、高密度な星団コアへのIMF研究へのアクセスにおいて、どの程度優れているか？

主な発見

• MICADOは、1平方秒角あたり10⁵個の星が存在する高密度星団を解像可能であり、ハッブルの能力を100倍以上、ウェッブの能力を10倍以上上回る。
• LMC（50 kpc）では、1平方秒角あたり10³個以下の星密度の星団において、0.1 M⊙までの星を信頼性を持って検出可能である。
• 2 Mpcの距離では、1平方秒角あたり10⁴個以下の星密度の領域において、2 M⊙以上のすべての星が解像可能である。
• MICADOは、5 Mpcまでの距離で、1,500個以上の若い星団において、サルペターのIMF傾きを直接測定可能となる。
• MICADOは、マゼラン雲のすべての高密度な若い星団の星の内容にアクセス可能であり、銀河系外でのIMFピークおよび形状の詳細な研究が可能となる。
• マゼラン雲以遠の領域では、褐色矮星領域（M < 0.1 M⊙）には到達できないが、銀河系およびマゼラン雲の1,000個以上の若い星団のIMFを解像可能とする。