[논문 리뷰] ACS imaging of star clusters in M51. I. Identification and radius distribution

R. A. Scheepmaker, M. Haas외 4명|ArXiv.org|2007. 04. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 62인용 수 60

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡/ACS 영상 자료를 사용하여 M51 은하에서 7,698개의 성운을 식별하고 높은 정밀도로 효과적 반경을 측정한다. 성운 반경은 0.5에서 21.6 pc 사이이며 중앙값은 2.1 pc이며, 비거듭제곱 법칙에 따르지 않는 반경 분포를 보이며 초기 동역학적 진화의 비균일성을 시사한다. 나선다리 부근의 성운은 더 조밀하며, 반경은 나이(색깔을 통한 추정)와 함께 증가하는 경향을 보이며, 강한 질량-반경 상관관계는 관측되지 않는다.

ABSTRACT

We use HST/ACS observations of the spiral galaxy M51 in F435W, F555W and F814W to select a large sample of star clusters with accurate effective radius measurements in an area covering the complete disc of M51. We present the dataset and study the radius distribution and relations between radius, colour, arm/interarm region, galactocentric distance, mass and age. We select a sample of 7698 (F435W), 6846 (F555W) and 5024 (F814W) slightly resolved clusters and derive their effective radii by fitting the spatial profiles with analytical models convolved with the point spread function. The radii of 1284 clusters are studied in detail. We find cluster radii between 0.5 and ~10 pc, and one exceptionally large cluster candidate with a radius of 21.6 pc. The median radius is 2.1 pc. We find 70 clusters in our sample which have colours consistent with being old GC candidates and we find 6 new "faint fuzzy" clusters in, or projected onto, the disc of M51. The radius distribution can not be fitted with a power law, but a log-normal distribution provides a reasonable fit to the data. This indicates that shortly after the formation of the clusters from a fractal gas, their radii have changed in a non-uniform way. We find an increase in radius with colour as well as a higher fraction of redder clusters in the interarm regions, suggesting that clusters in spiral arms are more compact. We find a correlation between radius and galactocentric distance which is considerably weaker than the observed correlation for old Milky Way GCs. We find weak relations between cluster luminosity and radius, but we do not observe a correlation between cluster mass and radius.

연구 동기 및 목표

• 허블 우주望遠鏡/ACS 자료를 활용하여 나선파고 M51의 대규모 성운 샘플을 식별하고 효과적 반경을 측정한다.
• 젊고 중간 연령대 성운의 반경 분포를 조사하고, 성운 형성 구름의 이론 모델과 비교한다.
• 은하 중심 거리, 빛의 세기, 색깔, 나이, 환경(나선다리 대비 간성 영역) 등의 물리적 매개변수와 성운의 효과적 반경 간 상관관계를 분석한다.
• 색깔과 공간적 위치의 경향성을 분석하여 성운 크기의 동역학적 진화 증거를 탐색한다.
• M51 디스크 내 잠재적 오래된 구형성운 후보 및 희미한 흐린 성운을 식별한다.

제안 방법

• 허블 우주望遠鏡 자료 레포지토리에서 M51 디스크의 깊은 ACS F435W, F555W, F814W 영상 확보.
• 세 필터를 통한 광학적 및 형태학적 기준을 활용해 약간 해상도가 떨어지는 7,698개의 성운 식별.
• 설비의 점원함수(PSF)로 컨볼루션된 분석 모델을 사용해 표면 밝기 프로파일을 피팅하여, 1,284개 성운의 효과적 반경($R_{ ext{eff}}$)을 고정밀도로 유도.
• 색깔-색깔 및 색깔-등급 기준을 사용해 성운 연령과 금속성도를 추정하고, 오래된 구형성운 후보 및 희미한 흐린 성운을 분류.
• 반경 분포 분석 및 거듭제곱 법칙 피팅 테스트를 수행하고, 성운 형성 구름 및 오래된 은하계 구형성운과 비교.
• 거듭제곱 법칙 피팅과 오차 전파를 사용해 $R_{ ext{eff}}$ 가 은하 중심 거리, 빛의 세기, 질량, 환경(나선다리 대비 간성 영역)과의 상관관계를 통계적으로 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M51 디스크 성운의 효과적 반경 분포는 어떻게 되며, 성운 형성 분자구름의 반경 분포와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 성운의 효과적 반경과 은하 중심 거리 사이에 상관관계가 있는가? 이는 오래된 은하계 구형성운에서 관측된 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 나선다리 부근의 성운은 간성 영역의 성운과 크기에서 다를까? 이는 환경적 압력이나 형성 역사와 관련이 있는가?
• RQ4 성운 질량과 효과적 반경 사이에 측정 가능한 상관관계가 있는가? 그 부재는 초기 성운 진화에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 성운 반경은 색깔(나이의 대체 척도로 사용)과 어떻게 상관관계가 있는가? 이는 시간이 지남에 따라 동역학적 팽창이 일어나는가를 어떻게 시사하는가?

주요 결과

• M51 성운의 효과적 반경 분포는 0.5에서 약 10 pc 사이이며 중앙값은 2.1 pc이며, 특별히 큰 성운 후보 하나는 $R_{ ext{eff}} = 21.6$ pc이다.
• 반경 분포가 성운 형성 구름의 것처럼 거듭제곱 법칙을 따르지 않아, 성운 형성 후 비균일한 초기 동역학적 진화를 시사한다.
• 나선다리 부근 성운의 중앙값 반경은 1.9 pc이며, 간성 영역의 성운은 2.7 pc로 더 크며, 고압 환경에서 형성된 성운이 더 조밀함을 시사한다.
• 가장 약한 상관관계가 $R_{ ext{eff}}$ 와 은하 중심 거리 사이에서 발견되었으며, 척도는 $R_{ ext{eff}} \rightarrow R_{ ext{G}}^{0.12 /pm 0.02}$ 로 나타나 오래된 은하계 구형성운에서 관측된 관계보다 훨씬 약하다.
• 정확한 질량 추정이 가능한 271개 성운에 대해 질량-반경 상관관계는 유의미하게 발견되지 않았다.
• 빛의 세기-반경 관계는 약하게 관측됨: 간성 영역에서는 $R_{ ext{eff}} \rightarrow L^{0.15 /pm 0.02}$, 나선다리 영역에서는 $R_{ ext{eff}} \rightarrow L^{-0.11 /pm 0.01}$ 로 나타나 환경에 따라 크기 진화가 달라질 수 있음을 시사한다.