[論文レビュー] The survey of Planetary Nebulae in Andromeda (M31): I. Imaging the disk and halo with MegaCam@CFHT

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 66被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、M31における惑星状星雲（PNe）の16平方度にわたる広視野サーベイをMegaCam@CFHTを用いて実施し、[O iii] 5007 Å線による発光を用いて4,289個のPNeを検出（うち3,000個以上が新規発見）。これは、PNeの等級関数の微弱な端に著しい上昇を示し、円盤部とハロー部でそれぞれ7倍の等級特化PNe数の差を示しており、異なる星族と、PNeにおける透過率効果の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The Andromeda (M31) galaxy subtends nearly 100 sq. deg. on the sky, with severe contamination from the Milky Way halo stars whose surface density displays a steep gradient across the entire M31 field-of-view. Planetary Nebulae (PNe) are a population of stars firmly associated with M31, that are excellent tracers of light, chemistry and motion in galaxies. We present a 16 sq. deg. survey of the disk and inner halo of M31 with MegaCam@CFHT to identify PNe, characterize their luminosity-specific PN number and luminosity function (PNLF). PNe were identified based on their bright OIII 5007 $\unicode{x212B}$ emission and absence of a continuum. Subsamples of the faint PNe were independently confirmed by matching with resolved Hubble Space Telescope sources from the PHAT survey and spectroscopic follow-up observations with HectoSpec@MMT. The current survey reaches 2 mag fainter than the previous most-sensitive survey. We identify 4289 PNe, of which only 1099 were previously known. By comparing the PN number density with the surface brightness profile of M31 out to ~30 kpc along the minor-axis, we find that the stellar population in the inner halo has a 7 times larger luminosity-specific PN number value than that of the disk. It indicates that the stellar population at deprojected minor-axis radii larger than ~10 kpc is different from that in the M31 disk. We measure the PNLF and find a bright cut-off and a slope consistent with the previous determination by Ciardullo et al. (1989). Interestingly, it shows a significant rise at the faint end, present in all radial bins covered by the survey, much steeper than that observed for the Magellanic clouds and Milky Way bulge. M31 shows two major episodes of star formation and the rise in the faint end of the PNLF is possibly associated with the older stellar population. It may also be a result of varying opacity of the PNe.

研究の動機と目的

• 広視野画像を用いてM31の円盤部および内側ハロー部における惑星状星雲（PNe）の分布と等級関数をマッピングすること。
• M31の星族を明確に示すため、PNeを離散的トレーサーとして用いることで、のちに発生する銀河のハロー星による汚染を回避すること。
• 等級特化PNe数を測定し、M31の円盤部およびハロー部にわたるPNeの性質の半径依存性を評価すること。
• PNe等級関数の微弱な端の上昇の原因を、他の銀河と比較し、透過率または星族年齢の影響を検討すること。

提案手法

• CFHTのMegaCamを用いて、M31の円盤部および内側ハロー部（16平方度）を、[O iii] 5007 Å帯域フィルタおよびgバンドフィルタで撮影する。
• 狭帯域と広帯域画像間の色超過を用いてPNeを同定し、[O iii]線発光を示し、連続スペクトルを持たない源を検出する。
• ハッブル宇宙望遠鏡PHATサーベイの源とのクロス相関およびMMTのHectoSpecを用いた分光的フォローアップにより、微弱なPNeの検出を検証する。
• 模擬PNe集団を用いた完全性補正により、信頼性の高い等級関数および特化周波数値を導出する。
• 完全性補正済みデータに一般化された解析的式をフィットさせ、PNe等級関数（PNLF）を測定する。
• PNe特化周波数（αパラメータ）の半径依存性を分析し、過去のサーベイおよびモデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M31の円盤部および内側ハロー部における惑星状星雲の半径分布と等級関数はどのように分布しているか？
• RQ2 ハロー部における等級特化PNe数は円盤部と比べてどの程度高く、星族の違いにどのような示唆を与えるか？
• RQ3 M31におけるPNe等級関数の微弱な端の上昇の原因は何か。これは星族の年齢またはネーブルの透過率に起因するのか？
• RQ4 微弱な端のPNe検出は信頼できるものか。それらは、連星星やH II領域などの他の源による汚染の可能性はないか？
• RQ5 M31のPNe特性は、のちに発生する銀河および大・小マゼラン雲と比べて、PNe等級関数の勾配および完全性の観点でどのように異なるか？

主な発見

• 本サーベイでは、M31に4,289個の惑星状星雲が検出され、そのうち3,190個が新規に同定された。これは、のちに発生する銀河において最大のPNeサンプルである。
• 投影半径が10 kpcを超えるハロー部における等級特化PNe数は、円盤部の7倍にのぼり、外側ハロー部に異なる星族が存在することを示唆している。
• PNe等級関数（PNLF）は、明るいカットオフから約5.5等級下まで、微弱な端に著しい上昇を示しており、LMCやSMCよりも急勾配である。
• 微弱な端の上昇は、すべての半径領域およびPHATに一致するPNeで観測されており、混雑や汚染の要因を除外し、分光的フォローアップにより確認されたが、大きな不確実性を伴う。
• PNLFパラメータ（明るいカットオフと勾配）はCiardulloら（1989）と整合的であるが、微弱な端の上昇は、のちに発生する銀河の中心部や大・小マゼラン雲よりも急である。
• 上昇は、80億年以上前に形成された古くよりの星族に起因するPNe、または変動するネーブルの透過率に起因する可能性があり、微弱な端ではより透過性の高いPNeが支配的であると考えられる。