[논문 리뷰] FORS2/VLT survey of Milky Way globular clusters II. Fe and Mg abundances of 51 Milky Way globular clusters on a homogeneous scale

Bruno Dias, B. Barbuy외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 51인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 VLT/FORS2를 이용한 R ~ 2000의 가시광역 스펙트로스코피를 통해 은하수 은하의 51개 은하단에 대해 균일한 철(Fe)과 마그네슘(Mg) 농도를 제시하며, -2.5 < [Fe/H] < 0.0 범위에서 [Fe/H]의 정밀도가 σ ≈ 0.08 dex에 도달한다. 이 연구는 BH 176, Djorg 2, Pal 10, NGC 6426, Lynga 7, Terzan 8와 같은 클러스터에 대해 처음으로 일관되고 고정밀한 금속성 및 α핵종 농도를 제공하며, HP 1과 NGC 6558가 은하에서 가장 오래된 클러스터일 가능성이 높다는 것을 밝혀낸다.

ABSTRACT

(ABRIDGED) Globular clusters trace the formation and evolution of the Milky Way and surrounding galaxies, and outline their chemical enrichment history. To accomplish these tasks it is important to have large samples of clusters with homogeneous data and analysis to derive kinematics, chemical abundances, ages and locations. We obtain homogeneous metallicities and alpha-element enhancement for over 800 red giant stars in 51 Galactic bulge, disc, and halo globular clusters that are among the most distant and/or highly reddened in the Galaxy's globular cluster system. We observed R ~ 2000 spectra in the wavelength interval 456-586 nm and applied full spectrum fitting technique. We compared the mean abundances of all clusters with previous work and with field stars. We used the relation between mean metallicity and horizontal branch morphology defined by all clusters to select outliers for discussion. We find our metallicities are comparable to those derived from high-resolution data to within sigma = 0.08 dex over the interval -2.5 &lt; [Fe/H] &lt; 0.0. We also find that the distribution of [Mg/Fe] and [alpha/Fe] with [Fe/H] for the 51 clusters follows the general trend exhibited by field stars. It is the first time that the following clusters have been included in a large sample of homogeneous stellar spectroscopic observations and metallicity derivation: BH 176, Djorg 2, Pal 10, NGC 6426, Lynga 7, and Terzan 8. In particular, only photometric metallicities were available previously for the first three clusters, and the available metallicity for NGC 6426 was based on integrated spectroscopy and photometry. Two other clusters, HP 1 and NGC 6558, are confirmed as candidates for the oldest globular clusters in the Milky Way. The technique used here can also be applied to globular cluster systems in nearby galaxies with current instruments and to distant galaxies with the advent of ELTs.

연구 동기 및 목표

• 은하수 은하의 은하단 대표 샘플에 대해 균일한 금속성 및 α핵종 농도를 도출하여 은하 화학적 진화에 대한 이해를 향상시키기.
• 이전 연구에서 다양한 스펙트럼 해상도, 캘리브레이션 방법, 데이터 소스에 기반한 이질적인 금속성 척도의 한계를 극복하기.
• 이전에 분광학적 데이터가 없거나 오직 광도 또는 통합광선 추정에 의존했던 클러스터에 대해 강력하고 일관된 농도 측정치를 제공하기.
• 특히 청색 수평가지 형태를 보이는 이질적인 클러스터를 식별하고 특성화하기 — 이는 극도로 오래된 연령 또는 이국적인 화학적 성질을 시사할 수 있다.
• 저해상도(R ~ 2000)의 가시광역 스펙트로스코피가 은하단 대규모 농도 조사에 신뢰할 수 있는 방법임을 검증하기.

제안 방법

• VLT의 FORS2 장치를 사용하여 51개 은하단의 800여 명 이상의 적색거성에 대해 456–586 nm 범위의 R ~ 2000 스펙트럼을 관측한다.
• 관측된 스펙트럼 라이브러리와 합성 스펙트럼 라이브러리를 모두 사용하여 ETOILE 코드를 활용한 전체 스펙트럼 피팅을 적용하여 농도 분석을 수행한다.
• 일관된 분석 파이프라인과 기준 체계를 사용하여 모든 클러스터에서 [Fe/H], [Mg/Fe], [α/Fe]를 균일하게 유도한다.
• 은하단 소속을 정의하고 표본 순도를 확보하기 위해 라디얼 속도 및 대기 파rameter 컷을 사용한다.
• 유도된 금속성 값을 고해상도 데이터 및 기존 금속성 척도와 비교하여 정확도와 일관성을 평가한다.
• 이상적인 성질을 가진 클러스터(예: 금속성에 비해 특히 청색 수평가지를 가진 클러스터)를 식별하기 위해 수평가지 형태를 진단 도구로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저해상도(R ~ 2000)의 가시광역 스펙트로스코피를 통해 은하수 은하의 대규모 샘플에 대해 유도된 철과 α핵종 농도의 일관성과 정밀도는 어떠한가?
• RQ2 51개 은하단의 [Fe/H], [Mg/Fe], [α/Fe] 농도는 현장 별들과 이전 연구의 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 샘플에서 이질적인 수평가지 형태를 보이는 클러스터는 무엇이며, 이러한 형태는 그들의 연령 또는 화학적 성질에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 HP 1과 NGC 6558가 그들의 농도 패턴과 수평가지 형태에 기반해 은하에서 가장 오래된 은하단 중 하나로 확인될 수 있는가?
• RQ5 이 샘플의 농도 경향은 은하 화학적 진화 모델, 특히 부울지 및 할로우 성분에 대해 어떤 지지를 제공하거나 도전하는가?

주요 결과

• 유도된 [Fe/H] 값은 -2.5 < [Fe/H] < 0.0 범위에서 고해상도 데이터와 σ = 0.08 dex 이내로 일관되며, 저해상도 스펙트로스코피의 높은 정밀도를 입증한다.
• Carretta 등(2009)의 척도와 공통된 45개 클러스터에 대해 비교한 결과 분산이 σ = 0.16 dex로 나타나, 다양한 금속성 척도 간의 견고함을 확인한다.
• BH 176, Djorg 2, Pal 10, NGC 6426, Lynga 7, Terzan 8는 이 연구에서 처음으로 균일한 척도에 기반한 분광학적 금속성을 부여받았으며, 이전의 추정치는 광도 또는 통합광선에 의존하였다.
• HP 1과 NGC 6558는 청색 수평가지 형태와 금속성에 기반해 은하에서 가장 오래된 은하단 후보로 확인되었다.
• 51개 클러스터의 [Mg/Fe] 및 [α/Fe] 농도 경향은 현장 별에서 관찰되는 일반적인 패턴을 따르지만, 분석 과정에서 여러 α핵종을 평균화함에 따라 [α/Fe]에서의 차이가 발생할 수 있다.
• [α/Fe]–[Fe/H] 관계는 부울지 현장 별의 것과 일치하며, 이는 이러한 클러스터가 은하 부울지와 유사한 화학적으로 농축된 환경에서 형성되었음을 지지한다.