[論文レビュー] Towards Precision Photometry with Extremely Large Telescopes: the Double Subgiant Branch of NGC 1851

Paolo Turri, Alan W. McConnachie+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ジミニー・サウス望遠鏡のGeMSシステムを用いたマルチコンjugート・アダプティブオプティクス（MCAO）が、混雑した領域において高精度な近赤外光度測定を可能にすることを示しており、地上から得られたglobular clusterのKsバンド光度測定で最も深い結果を得た。また、NGC 1851に二重の準巨星分岐（SGB）が存在することを高い精度で確認し、MCAOが将来の超大型望遠鏡（ELT）ミッションにおける可能性を裏付けた。

ABSTRACT

The Extremely Large Telescopes currently under construction have a collecting area that is an order of magnitude larger than the present largest optical telescopes. For seeing-limited observations the performance will scale as the collecting area but, with the successful use of adaptive optics, for many applications it will scale as $D^4$ (where $D$ is the diameter of the primary mirror). Central to the success of the ELTs, therefore, is the successful use of multi-conjugate adaptive optics (MCAO) that applies a high degree correction over a field of view larger than the few arcseconds that limits classical adaptive optics systems. In this letter, we report on the analysis of crowded field images taken on the central region of the Galactic globular cluster NGC 1851 in $K_s$ band using GeMS at the Gemini South telescope, the only science-grade MCAO system in operation. We use this cluster as a benchmark to verify the ability to achieve precise near-infrared photometry by presenting the deepest $K_s$ photometry in crowded fields ever obtained from the ground. We construct a colour-magnitude diagram in combination with the F606W band from HST/ACS. As well as detecting the "knee" in the lower main sequence at $K_s\simeq20.5$, we also detect the double subgiant branch of NGC 1851, that demonstrates the high photometric accuracy of GeMS in crowded fields.

研究の動機と目的

• 混雑した恒星領域における高精度光度測定を達成するためのマルチコンジュゲート・アダプティブオプティクス（MCAO）の性能を評価すること。
• 二重準巨星分岐特徴が既知のNGC 1851を、MCAOを用いた地上光度測定のベンチマークとして用いること。
• Hubble Space Telescope（HST）の光学データと地上MCAO光度測定を比較し、正確性と深さを検証すること。
• MCAOシステムが、混雑した領域において近赤外域で空間望遠鏡と同等の光度測定精度を達成できることを示すこと。
• 将来の超大型望遠鏡（ELTs）のMCAOシステムを用いた観測戦略およびデータ処理技術の指針を提供すること。

提案手法

• ジミニー・サウス望遠鏡のGeMSマルチコンジュゲート・アダプティブオプティクス・システムを用いて、NGC 1851の中心部のKsバンド深さイメージングを取得した。
• 5つのレーザー誘導星と3つの自然誘導星を用いて、83 arcsec × 83 arcsecの視野において高安定な波面補正を実現した。
• GeMSのKsバンドデータとアーカイブされたHST/ACS F606W光学光度測定データを組み合わせ、高精度な色-等級図（CMD）を構築した。
• Gemini IRAFパッケージを用いた光度測定のリダクションを行い、混雑した領域における個々の星の分離を慎重に行った。
• 準巨星分岐を二つのガウス成分を用いた二峰性分布としてモデル化し、やや明るいSGB星とやや暗いSGB星の相対的割合を定量化した。
• CMDおよびSGBの形状の統計的解析を通じて、GeMSシステムの安定性と性能、光度測定の不確実性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上望遠鏡のMCAOシステムは、混雑した領域において空間望遠鏡と同等の光度測定精度を達成できるか？
• RQ2 NGC 1851の二重準巨星分岐（SGB）は、MCAOを用いた深さKsバンドイメージングでも解像可能か？
• RQ3 地上MCAOデータから測定されたNGC 1851におけるやや明るいSGB成分とやや暗いSGB成分の相対的割合はどの程度か？
• RQ4 GeMSのKsバンドイメージングの光度測定の深さと正確性は、同じクラスターのHST/ACS光学光度測定と比べてどの程度か？
• RQ5 MCAOは、密な星団における星団の光度測定をどの程度高精度に可能にできるか。その結果、将来のELT観測戦略にどのように影響を与えるか？

主な発見

• GeMS MCAOシステムは、地上から得られたglobular clusterのKsバンド光度測定で最も深い結果を達成し、限界等級Ks ≈ 20.5にまで到達した。
• NGC 1851の二重準巨星分岐（SGB）は、KsバンドCMDにおいて明確に解像され、高い光度測定精度でその存在が確認された。
• やや明るいSGB（bSGB）とやや暗いSGB（fSGB）の成分は、NfSGB/NbSGB = 0.47の割合で定量化され、以前のHSTベースの研究と整合的であった。
• Ks ≈ 20.5における主系列のへこみ（knee）が検出され、冷却星の大気中に衝突誘発H2吸収が存在することを示唆した。
• 光度測定の不確実性が十分に小さく、二峰性SGB構造を解像可能であったため、システムが高精度光度測定を実現できることを示した。
• 二重SGBの成功した検出は、MCAOシステムが密な星団における重要な天体物理学的研究に適した光度測定性能を提供できることを確認し、ELT時代の科学に道筋を示した。