[論文レビュー] Young Star Cluster Complexes in NGC 4038/39: Integral field spectroscopy using VIMOS-VLT

N. Bastian, Éric Emsellem+2 more|ArXiv.org|Sep 9, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、VIMOS-VLTを用いた積分場分光法を用いて、へびつかれ座銀河（NGC 4038/39）における若い星団複合体の年齢、金属量、赤道、星形成率を導出し、分析を行った。5つの複合体が強くWolf-Rayetの特徴を示しており、年齢は3–5 Myrであると判明した。また、ゆっくりとした電離ガスの拡張（20–40 km/s）が確認され、これらの複合体は局所的な星形成爆発と分類され、星形成爆発銀河と同等の面積正規化星形成率を示している。

ABSTRACT

We present the first results of a survey to obtain Integral Field Spectroscopy of merging galaxies along the Toomre Sequence. In the present work, we concentrate on the star cluster complexes in the Antennae galaxies (NGC 4038/39) in the overlap region as well as the nuclear region of NGC 4038. Using optical spectroscopy we derive the extinction age, metallicity, velocity, velocity dispersion of the gas and star formation rate for each of the eight complexes detected. We supplement this study with archival HST-WFPC2 U, B, V, H$α$, and I band imaging. Correcting the observed colours of the star clusters within the complexes for extinction, measured through our optical spectra, we compare the clusters with simple stellar population models, with which we find an excellent agreement. In five of the complexes we detect strong Wolf-Rayet emission features, indicating young ages (3-5 Myr). The ionized gas surrounding the complexes is expanding at speeds of 20-40 km/s. This slow expansion can be understood as a bubble, caused by the stellar winds and supernovae within the complexes, expanding into the remnant of the progenitor giant molecular cloud. We also find that the complexes themselves are grouped, at about the largest scale of which young star clusters are correlated, representing the largest coherent star forming region. We show that the area normalized star formation rates of these complexes clearly place them in the regime of star forming regions in starburst galaxies, thereby justifying the label of localized starbursts. Finally, we estimate the stability of the complexes, and find that they will probably loose a large fraction of their mass to the surrounding environment, although the central regions may merge into a single large star cluster.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、合体中のへびつかれ座銀河（NGC 4038/39）における若い星団複合体の物理的性質を調査すること。
• 単純星団モデル（SSP）との比較により、これらの複合体の年齢、金属量、赤化、星形成率を特定すること。
• 複合体の力学的安定性と進化の運命を評価すること。これには、星団の合体や質量損失の可能性を含む。
• 複合体が階層的星形成の文脈において果たす役割を理解し、星形成爆発領域との類似性を解明すること。

提案手法

• VIMOS-VLT機器を用いて、NGC 4038/39の8つの星団複合体における空間的に分解された光学スペクトルを取得した。
• PPXF手法を用いて星団組成のフィッティングを行い、スペクトル中の発光線（Hβ、O[III]）から赤化、ガス速度、ドップラー幅、金属量を測定した。
• 導出されたA_V値を用いて観測された星団の等級を補正し、単純星団モデル（SSP）と比較することで、年齢と質量を推定した。
• 各複合体のHβ発光線の強度を用いて、面積正規化星形成率（SFR）を推定し、星形成爆発の特徴を評価した。
• アーカイブのHST-WFPC2 U、B、V、Hα、Iバンド画像を併用し、F555WおよびHαフィルタにおける星団の等級とサイズを導出した。
• 銀河の速度プロファイルから推定された潮汐半径と複合体のサイズを比較することで、力学的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 4038/39における若い星団複合体の年齢、金属量、赤化は何か。また、単純星団モデル（SSP）と比較してどう異なるか。
• RQ2 複合体周辺の電離ガスの運動学（速度とドップラー幅）は何か。これにより、星形成によるフィードバック機構はどのように明らかになるか。
• RQ3 複合体の面積正規化星形成率は、星形成爆発銀河と比較してどうか。局所的星形成爆発と呼ぶにふさわしいか。
• RQ4 複合体の力学的安定性はどの程度か。質量を保持するのか、それとも周囲の星間物質に質量を失うのか。
• RQ5 複合体は階層的星形成の証拠をどの程度示しているか。内部の星団合体が質量の大きな星団を形成する可能性はあるか。

主な発見

• 8つの複合体のうち5つが強くWolf-Rayet発光特徴を示しており、年齢は3–5 Myrであると判明した。特に精度の高い推定では3.5–5.5 Myrの範囲に収まった。
• 複合体を取り巻く電離ガスは20–40 km/sで拡張しており、巨大分子雲の残骸に吹き抜ける風または超新星駆動バブルと一致する。
• 複合体の面積正規化星形成率は0.2～1.4 M⊙/yr/kpc²の間であり、星形成爆発銀河の領域に明確に位置づけられ、『局所的星形成爆発』という呼称が妥当であることが裏付けられた。
• フィールド1の複合体は、推定された潮汐半径と同等またはそれ以上のサイズであり、不安定であるとされ、周囲のISMに質量の顕著な損失を受ける可能性がある。
• 質量損失が進行しても、複合体の中心部は依然として十分に密度が高く、内部の星団合体が将来的に質量の大きな中心星団を形成する可能性がある。
• 各複合体で最も明るい星団は、赤化補正後に太陽金属量のSSPモデルと一致しており、光度と分光法による年齢および質量推定の信頼性を支持する。