[論文レビュー] The star cluster - field star connection in nearby spiral galaxies. II. Field star and cluster formation histories and their relation

E. Silva-Villa, Soeren S. Larsen|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 59被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、5つの近距離済み銀河のハッブル宇宙望遠鏡による画像を用い、場星と星団を同時に分析する。合成色等級図とスペクトルエネルギー関数フィッティングを用いて、星形成歴と長寿命星団で形成された星の割合（Γ）を制約する。その結果、銀河間でΓは2%〜10%の範囲にあり、星形成率密度との明確な相関は見られないが、星団からの特定Uバンド輝度と有意な相関があることが判明した。

ABSTRACT

Recent studies have started to cast doubt on the assumption that most stars are formed in clusters. Observational studies of field stars and star cluster systems in nearby galaxies can lead to better constraints on the fraction of stars forming in clusters. We aim to constrain the amount of star formation happening in long-lived clusters for four galaxies through the homogeneous study of field stars and star clusters. Using HST/ACS-WFPC2 images of the galaxies NGC45, NGC1313, NGC5236 and NGC7793, we estimate star formation histories by means of the synthetic CMD method. Masses and ages of star clusters are estimated using simple stellar population model fitting. Comparing observed and modeled luminosity functions we estimate cluster formation rates. By randomly sampling the stellar IMF, we construct artificial star clusters and quantify how stochastic effects influence cluster detection, integrated colors and age estimates. Star formation rates appear to be constant over the past 10-100 Myr. The number of clusters identified per galaxy varies, with few massive (>10^5Msun) and few old (>1Gyr) clusters. The galaxies NGC5236 and NGC1313 show high star and cluster formation rates compare to NGC7793 and NGC45. Stochastic sampling of the SIMF has a strong impact on estimation of ages, colors and completeness for clusters with masses <10^4Msun, while for high masses the effect is less pronounced. Stochasticity also makes size measurements highly uncertain at young ages, making it difficult to distinguish between clusters and stars based on sizes. The ratio of star formation happening in clusters compared to the global star formation ($Γ$) appears to vary for different galaxies. We find no obvious relation between $Γ$ and the star formation rate density within the range probed here. The $Γ$ values do, however, appear to correlate with the specific U-band luminosity (T_L (U)).

研究の動機と目的

• 場星と星団の均一な解析を用いて、近距離済み銀河における長寿命星団で形成された星の割合（Γ）を制約すること。
• 星形成初期質量関数（SIMF）の確率的サンプリングが、星団検出、年齢推定、光度的性質に与える影響を調査すること。
• 特にサイズ基準に依存する手法の信頼性を評価し、年齢および質量関数測定への影響を検討すること。
• Γが星形成率密度（Σ_SFR）や星団固有のUバンド輝度といった、銀河の全般的なパラメータと相関するかどうかを検討すること。
• 星団の破壊が観測された星団形成率に与える影響を評価し、質量依存性と質量非依存性の破壊モデルの整合性を検証すること。

提案手法

• HST/ACSおよびHST/WFPC2の画像を用いて、NGC 45、NGC 1313、NGC 4395、NGC 5236、NGC 7793の場星と星団の高分解能光度測定を実施した。
• 観測された色等級図（CMD）と合成モデルを比較することで、場星の星形成歴を合成CMD法を用いて導出した。
• 観測されたスペクトルエネルギー関数（SED）を単一星族（SSP）モデルにフィットさせ、個々の星団の質量と年齢を推定した。
• 星形成初期質量関数（SIMF）からのランダムサンプリングを用いて人工星団を構築し、星団検出の完全性、色、年齢推定への確率的効果を定量化した。
• 観測されたとモデル化された輝度関数を比較し、星団形成率（CFR）を導出し、破壊則を推定した。
• 特に若年（τ ≤ 100 Myr）の段階で、サイズカットに起因する選択効果が星団サンプルの信頼性に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近距離済み銀河における長寿命星団で形成された星の割合（Γ）はどの程度で、異なる銀河間でどのように変化するか？
• RQ2 星形成初期質量関数（SIMF）の確率的サンプリングが、低質量星団（M ≤ 10^4 M⊙）の観測光度、年齢推定、完全性にどのように影響するか？
• RQ3 観測範囲内（10^{-3}–10^{-2} M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²）の星形成率密度（Σ_SFR）とΓとの間に測定可能な相関があるか？
• RQ4 観測された星団集団が特定Uバンド輝度（T_L(U)）と相関しているかどうかを検討し、星団光と形成効率との間の物理的関連性を示唆するか？
• RQ5 特にサイズ基準に依存する選択効果が、若年（τ ≤ 10^8 yr）の段階で星団年齢および質量関数測定にどれほどバイアスをもたらすか？

主な発見

• NGC 5236およびNGC 1313の観測領域では、過去10^7〜10^8年間にわたり星形成率が高く、ほぼ一定である。一方、NGC 7793、NGC 4395、NGC 45では星形成率が低く、より静的である。
• SIMFの確率的サンプリングは、年齢および色の推定に顕著な影響を与え、特に若年（τ ≤ 10^8 yr）の段階で質量≤ 10^4 M⊙の星団の完全性を低下させる。
• 若年星団（τ ≤ 10^8 yr）のサイズ測定は、確率的要因により著しく不確実であり、星団と場星を区別するためのサイズ基準による分類は信頼性が低い。
• サンプル全体で長寿命星団で形成された星の割合（Γ）は2%〜10%の範囲にあり、観測範囲内での星形成率密度（Σ_SFR）との明確な相関は認められない。
• Γは星団からの特定Uバンド輝度（T_L(U)）と有意に相関しており、星団光がΣ_SFRよりも形成効率の良い指標である可能性を示唆している。
• 観測された輝度関数と星団形成率に基づくと、質量依存性と質量非依存性の破壊モデルの間に明確な違いは認められない。