[논문 리뷰] Determination of the globular cluster and halo stellar mass functions and stellar and brown dwarf densities

G. Chabrier, Dominique Méra|arXiv (Cornell University)|1997. 05. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 관측된 볼로메트릭 빛의 함수를 볼로메트릭 빛과 질량 함수로 변환하기 위해 저질량 항성 모델을 사용하여 구형별개구리와 은하간 헬로의 항성 및 브라운 와이프 질량 함수를 결정한다. 연구는 0.1 M☉까지의 구형구역에서 보편적인 거듭제곱 법칙 질량 함수를 발견하며, α ≈ 1.7 ± 0.2이며, 브라운 와이프와 저질량 항성이 암흑 물질의 주요 기여자로 될 수 없음을 규명하여 은하의 암흑 물질 밀도에 대한 기여도를 ≤1% 이내로 제한한다.

ABSTRACT

We use recent low-mass star models, which reproduce accurately the observed sequences of various globular clusters, to convert the observed luminosity functions into bolometric luminosity functions and mass functions down to the bottom of the main sequence. These mass functions are well describedby a slowly rising power-law $dN/dm\propto m^{-α}$, with $0.5\wig < α\wig < 1.5$, down to $\sim 0.1 \msol$, independently of the metallicity, suggesting a rather universal behaviour of the cluster initial mass functions. We predict luminosity functions in the NICMOS filters in the stellar and in the brown dwarf domains for different mass functions and metallicities. We apply these calculations to the determination, slope and normalization, of the mass function of the Galactic halo (spheroid and dark halo). The spheroid mass function is well described by the afore-mentioned power-law function with $α\sim 1.7\pm 0.2$ down to 0.1 $\msol$, although a slowly decreasing mass function below $\sim 0.15 \msol$ can not be excluded with the data presently available. Comparison with the Hubble Deep Field star counts is consistent with such a mass function and excludes a significant stellar population in the dark halo. Consistent analysis with recent microlensing experiments towards the LMC shows that the spheroid and the dark-halo stellar+brown dwarf populations represent at most $\sim$ 1% of the Galactic dark matter density. This clearly excludes brown dwarfs and low-mass stars as significant dark matter candidates.

연구 동기 및 목표

• 관측된 빛의 함수를 사용하여 구형별개구리와 은하간 헬로의 항성 및 브라운 와이프 질량 함수를 결정하기 위해 저질량 항성 모델을 활용한다.
• 구형별개구리 내 다양한 금속성에서의 초기 질량 함수의 보편성을 평가한다.
• 저질량 항성과 브라운 와이프가 은하의 암흑 물질 예산에 기여하는 정도를 제약한다.
• 이론적 예측을 허블 딥 필드 및 마이크로렌징 조사에서의 관측 데이터와 비교한다.
• 유도된 질량 함수가 기존의 항성 및 브라운 와이프 인구 모델과 일관된지를 평가한다.

제안 방법

• 구형별개구리의 관측된 색-등급 시퀀스를 정확히 재현하는 최근의 저질량 항성 모델을 사용한다.
• 모델에 의존하는 볼로메트릭 보정을 사용하여 관측된 빛의 함수를 볼로메트릭 빛의 함수로 변환한다.
• 데이터에 거듭제곱 법칙의 형태를 적합시키기 위해 관계 dN/dm ∝ m^−α를 통해 질량 함수를 유도한다.
• 일관된 항성 모델과 금속성 의존성을 사용하여 질량 함수를 브라운 와이프 영역으로 외삽한다.
• 다양한 질량 함수와 금속성에 대해 근적외선(NICMOS) 필터 빛의 함수를 예측한다.
• 허블 딥 필드 및 LMC 방향 마이크로렌징 조사에서의 예측된 별 수와 관측된 별 수를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구형별개구리의 초기 질량 함수는 다양한 금속성에서 보편적인가?
• RQ2 은하의 구형구역에서 항성 및 브라운 와이프 질량 함수의 기울기와 정규화는 무엇인가?
• RQ3 저질량 항성과 브라운 와이프는 은하의 암흑 물질 밀도에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ4 허블 딥 필드에서의 관측된 별 수는 유도된 질량 함수와 일치하는가?
• RQ5 LMC 방향 마이크로렌징 관측 결과는 은하의 어둠진 헬로에 있는 별과 브라운 와이프의 상당한 인구를 지지하는가?

주요 결과

• 구형별개구리 질량 함수는 금속성과 무관하게 α가 0.5에서 1.5 사이의 천천히 증가하는 거듭제곱 법칙을 따르며, 이는 약 0.1 M☉까지 보편적인 초기 질량 함수를 시사한다.
• 은하의 구형구역 질량 함수는 0.1 M☉까지 α ≈ 1.7 ± 0.2인 거듭제곱 법칙으로 잘 기술되며, 현재 데이터로는 0.15 M☉ 이하에서 약간 감소할 가능성은 배제할 수 없다.
• 허블 딥 필드 별 수와의 비교는 유도된 질량 함수를 지지하며 어둠진 헬로에 상당한 항성 인구가 존재하지 않음을 배제한다.
• LMC 방향 마이크로렌징 실험은 구형구역과 어둠진 헬로의 별 및 브라운 와이프 인구가 은하의 암흑 물질 밀도에 최대 약 1% 기여할 뿐임을 보여준다.
• 결과는 명백히 브라운 와이프와 저질량 항성이 은하의 암흑 물질의 주요 기여자로 될 수 없음을 배제한다.
• 분석은 깊은 필드 조사와 마이크로렌징에서의 관측 제약 조건과 이론적 질량 함수의 일관성을 확인한다.