[論文レビュー] The Tip of the Red Giant Branch and Distance of the Magellanic Clouds: results from the DENIS survey

Maria-Rosa L. Cioni, Roeland P. van der Marel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、マゼラン銀河に向けてDENIS調査から得た大規模で均質なサンプルを用いて、赤色巨星における赤巨星の先端（TRGB）のI、J、K_Sバンドにおける高精度な決定を提示する。著者らは、光度関数の2次微分に基づく、バイアス補正付きの新規アルゴリズムを導入し、LMCに対しては距離モジュラス m−M = 18.55 ± 0.04（形式的）± 0.08（系貫的）を、SMCに対しては 18.99 ± 0.03 ± 0.08 を得た。これはサンプルサイズの大きさと近赤外域の減光への不感度のおかげで、これまでに最も正確な測定の一つである。

ABSTRACT

We present a precise determination of the apparent magnitude of the tip of the red giant branch (TRGB) in the I (0.8 micron), J (1.25 micron), and K_S (2.15 micron) bands from the luminosity function of a sample of data extracted from the DENIS catalogue towards the Magellanic Clouds (Cioni et al. 2000). From the J and Ks magnitudes we derive bolometric magnitudes m_bol. We present a new algorithm for the determination of the TRGB magnitude, which we describe in detail and test extensively using Monte-Carlo simulations. We note that any method that searches for a peak in the first derivative (used by most authors) or the second derivative (used by us) of the observed luminosity function does not yield an unbiased estimate for the actual magnitude of the TRGB discontinuity. We stress the importance of correcting for this bias, which is not generally done. We combine the results of our algorithm with theoretical predictions to derive the distance modulus of the Magellanic Clouds. We obtain m-M = 18.55 (0.04 formal, 0.08 systematic) for the Large Magellanic Cloud (LMC), and m-M = 18.99 (0.03 formal, 0.08 systematic) for the Small Magellanic Cloud (SMC). These are among the most accurate determinations of these quantities currently available, which is a direct consequence of the large size of our sample and the insensitivity of near infrared observations to dust extinction.

研究の動機と目的

• DENIS調査の大型で均質なデータセットを用いて、マゼラン銀河におけるTRGBマグニチュード測定の精度を向上させること。
• 従来の1次または2次微分法に内在する系統的バイアスを補正する新しいアルゴリズムの開発および検証すること。
• 宇宙距離階層における不確実性を低減するため、LMCおよびSMCの高精度な距離モジュラスを導出すること。
• 光度関数のサンプリングや光度ゼロポイントの変動に起因する系統的誤差を特定・補正すること、特にそれらがTRGBマグニチュード推定に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 著者らは、DENISカタログから、I、J、K_Sバンドで検出され、整合性のある光度測定と画像欠損がないものを選別し、LMCに118,234個、SMCに33,117個の源を抽出した。
• TRGBは、観測された光度関数の2次微分における不連続性を検出することで特定する新規アルゴリズムを適用した。これは1次微分のピーク検出法よりもより頑健である。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、特に1次微分におけるピーク検出法に影響を及ぼす系統的バイアスを定量化・補正した。
• ボロメトリック補正は、JおよびK_Sマグニチュードから計算され、理論的モデルとの一貫性のある比較を可能にした。
• 前方の銀河の星の寄与は、同じ赤経・赤緯範囲を持つオフセットフィールドを用いて差し引かれ、背景推定の正確性が保証された。
• 形式的誤差と系統的誤差はモンテカルロシミュレーションにより推定され、形式的誤差はサンプルサイズに依存して 1/√N のようにスケーリングされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DENIS調査データを用いて、マゼラン銀河におけるI、J、K_SバンドのTRGBマグニチュードの最も正確な決定値は何か？
• RQ2 新規の2次微分に基づくTRGB検出法は、従来の1次微分法やピーク検出法と比較して、バイアスと精度の点でどのように異なるか？
• RQ3 光度ゼロポイントの変動やサンプル選択が、TRGBマグニチュード測定の信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 理論的モデルと組み合わせた新規TRGBマグニチュードを用いた場合、LMCおよびSMCの距離モジュラスは何か？また、それらは以前の推定値とどのように異なるか？

主な発見

• K_SバンドにおけるTRGBマグニチュードは、m_TRGB(K_S) = 11.98 ± 0.04（形式的）± 0.08（系統的）として測定され、推定法に内在する系統的バイアスに対して顕著な補正が施された。
• 大マゼラン雲（LMC）の距離モジュラスは、m−M = 18.55 ± 0.04（形式的）± 0.08（系統的）として決定され、これまでに最も正確な測定の一つである。
• 小マゼラン雲（SMC）の距離モジュラスは、m−M = 18.99 ± 0.03（形式的）± 0.08（系統的）として得られ、同様の精度と頑健性を示した。
• 本研究では、従来の光度関数の1次微分に基づく方法がTRGBマグニチュードの推定においてバイアスを生じることを示し、正確な結果を得るにはこのバイアスを補正する必要があることを明らかにした。
• 著者らは、m_TRGBの形式的誤差が、1次微分ピークのFWHMに依存するのではなく、1/√N に比例することを示した。これは文献に広く見られる誤解を是正するものである。
• バイアス補正を施した後、2MASSデータを用いたNikolaev & Weinberg（2000）の結果と、著者らの結果がよく一致し、補正法の妥当性が裏付けられた。