[論文レビュー] The Star Formation History of a Post-Starburst Galaxy Determined From Its Cluster Population

Rupali Chandar, Angus Mok+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、ハッブル宇宙望遠鏡のUBR画像を用いて、星形成歴が不明なS12銀河の分解能のある星団集団を分析し、星形成歴を決定した。星団の明るさと色を星団モデルと比較することで、約120 Myr前にピークで500+500/−250 M⊙yr−1の非常に激しい星形成バーストが発生したことが判明し、その持続期間は約50 Myrであり、現在は星形成活動が停止している。この結果は、複合星光フィッティングの独立的で直接的な確認を提供するとともに、過去に約1–3 Gyr前に中程度の星形成バーストが存在したことも明らかにした。

ABSTRACT

The recent star formation histories (SFHs) of post-starburst galaxies have been determined almost exclusively from detailed modeling of their composite star light. This has provided important but limited information on the number, strength, and duration of bursts of star formation. In this work, we present a direct and independent measure of the recent SFH of S12 (plate-mjd-fiber for SDSS 623-52051-207; designated EAS12 in Smercina et al. 2018) from its star cluster population. We detect clusters from high resolution, $UBR$ optical observations from HST, and compare their luminosities and colors with stellar population models to estimate the ages and masses of the clusters. No clusters younger than $\sim$70 Myr are found, indicating star formation shut off at this time. Clusters formed $\sim$120 Myr ago reach masses up to $\sim \mbox{few} imes10^7~M_{\odot}$, several times higher than similar age counterparts formed in actively merging galaxies like the Antennae and NGC 3256. We develop a new calibration based on known properties for 8 nearby galaxies to estimate the star formation rate (SFR) of a galaxy from the mass of the most massive cluster, $M_{ m max}$. The cluster population indicates that S12 experienced an extremely intense but short-lived burst $\sim$120 Myr ago, with an estimated peak of $500^{+500}_{-250}~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$ and duration of $50\pm25$ Myr, one of the highest SFRs estimated for any galaxy in the nearby universe. Prior to the recent, intense burst, S12 was forming stars at a moderate rate of $\sim 3{-}5~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$, typical of spiral galaxies. However, the system also experienced an earlier burst approximately $1{-}3$ Gyr ago. While fairly uncertain, we estimate that the SFR during this earlier burst was $\sim20{-}30~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$, similar to the current SFR in the Antennae and NGC 3256.

研究の動機と目的

• 星形成歴の推定に複合星光モデルに依存せず、星団集団の観測データを用いてS12銀河の最近の星形成歴を独立して決定すること。
• 分解能のある星団の明るさと色が、後期銀河における過去の星形成バーストのタイミング、持続期間、強度をどれだけ信頼性高く制約できるかを検証すること。
• 既知の星形成率（SFR）を持つ銀河を用いて、最も質量の大きな星団の質量（Mmax）と星形成率（SFR）の間の新しい校正を確立し、星団データからSFRを推定可能にする。
• S12に存在する古めの、中程度の年齢の星団集団の有無と性質を調査し、過去約3 Gyrにわたる全星形成歴を再構築すること。
• 複合星光フィッティングと星団ベースの推定値の不一致を解消するため、高分解能HST画像から直接的に星団の年齢と質量を測定すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡アーカイブからS12とその伴銀河の高分解能UBR光学画像を取得した。
• Photutilsソフトウェアパッケージを用いてHST画像の点源検出と光度測定を実施し、U、B、Rバンドにおける星団の明るさを測定した。
• 観測された星団の色と明るさをBruzual & Charlot (2003)の単一星団モデルの予測と比較し、個々の星団の年齢と質量を推定した。
• SFRがよく測定された8つの近傍銀河を用いて、最も質量の大きな星団の質量（Mmax）と星形成率（SFR）の間の新しい校正を開発した。
• Mmax–SFR校正を用いて、S12の異なる時間間隔におけるSFRを推定し、特に最近のバーストと以前の出来事に注目した。
• 異なる年齢の星団の空間分布を分析し、動的進化と合体歴を推測した。また、8 µmピークにおけるSpitzer IRSスペクトルを検討し、隠れた遮蔽された星形成活動が存在しないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S12銀河の最近の星形成歴は、分解能のある星団集団から直接測定されたものであるが、その内容は何か？
• RQ2 S12における星形成率は時間とともにどのように変化したのか。特に、激しいバーストとそれ以前の中程度の出来事の時期に注目して。
• RQ3 最も質量の大きな星団（Mmax）を用いて、銀河のピーク星形成率を信頼性高く推定できるのか。また、極端なバーストにおいてこの校正は成立するか？
• RQ4 強い8 µm放射を持つ領域に、継続的または隠れた星形成活動の兆候は見られるか。Spitzerスペクトルは、このような活動を確認するか、否定するか？
• RQ5 星団ベースの結果は、S12の全光度の複合星光フィッティングとどのように一致するか？

主な発見

• 70 Myr未満の若い星団は検出されず、現在の星形成率に上限として< 0.05 M⊙yr−1が与えられた。
• 最も激しい星形成バーストは約120 Myr前に発生し、ピーク星形成率は500+500/−250 M⊙yr−1、持続期間は50 ± 25 Myrであった。これは、近傍宇宙で測定された中で最も高いSFRの一つである。
• 約100 Myr前に星形成率は約65+65/−33 M⊙yr−1に低下し、約70 Myr前に約13+13/−6 M⊙yr−1に低下した。その後、星形成は急激に停止した。
• 最近のバースト以前には、S12は典型的な静穏なスパイラル銀河に見られるような中程度の星形成率（約3–5 M⊙yr−1）で星形成を行っていた。
• 以前に形成された中程度の年齢の星団集団は約1–3 Gyr前に形成され、星形成率は推定で約20–30 M⊙yr−1であった。これは、アンテナ銀河やNGC 3256のような現在進行中の合体銀河と同程度の値である。
• 若い星団が銀河中心部に集中していることから、合体による共鳴的合体起源が支持される。また、8 µmピークにおけるSpitzerスペクトルではネビュラ放射が確認されず、深く埋もれた星形成活動は否定された。