[논문 리뷰] Integrated Spectroscopy of Bulge Globular Clusters and Fields. II. Implications for stellar population models and elliptical galaxies

Claudia Maraston, L. Greggio외 5명|ArXiv.org|2002. 09. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 67

한 줄 요약

이 논문은 향상된 [$\alpha$/Fe] 비율을 가진 단순은퇴모형(SSP) 모델의 경험적 캘리브레이션을 제시하며, 금속성 높은 구형별개구리와 은하 중심부가 태양 기준 비율을 가진 모델이 예측하는 것보다 마그네슘 인덱스는 더 강하고 철 인덱스는 더 약한 것으로 나타난다. 주요 결과는 [$\alpha$/Fe] = +0.3 농도 패턴이 모든 금속성 범위에서 관측된 리크 인덱스를 성공적으로 재현하며, 초기형은하에서 $\alpha$-강화가 확인됨을 시사한다.

ABSTRACT

Synthetic Lick indices (e.g. Mg_2, Fe, etc.) of Simple Stellar Population (SSP) models are calibrated for the first time up to solar metallicity with a sample of Milky Way globular clusters (GCs) which includes the metal rich GCs of the Galactic bulge. This metallicity range is relevant to elliptical galaxies. It is shown that the Bulge GCs and integrated light follow the same correlation between Mg and Fe indices of elliptical galaxies, showing weaker Fe indices at given Mg indices with respect to models that assume solar-scaled abundances. This similarity is the robust empirical evidence for enhanced alpha/Fe ratios in the stellar populations of elliptical galaxies, since the globular clusters are independently known to be alpha-enhanced. The uniqueness of this alpha-overabundance solution is checked by exploring the whole range of model ingredients. We argue that the standard models reproduce the Mg-Fe correlation at low metallicities because the stellar templates used in the synthesis are the alpha-enhanced stars of the galactic Halo. These same models, however, fail to recover the Mg-Fe pattern of Bulge clusters and ellipticals at high metallicities because the high-metallicity templates are disk stars, which are not alpha-enhanced. The new SSP models by Thomas, Maraston & Bender (2002) which incorporate the dependence on alpha/Fe reproduce the Mg and Fe indices of GCs at all metallicities, with alpha/Fe=+0.3, which is in agreement with spectroscopic abundance determinations. The Balmer indices (Hbeta, Hdelta, Hgamma) are very well calibrated, provided the Horizontal Branch morphology is taken into account. In particular, we reproduce the Balmer lines of NGC 6388 and NGC 6441, which are metal-rich GCs with a tail of warm Horizontal Branch stars. {Abridged}

연구 동기 및 목표

• 태양 금속성($Z \sim Z_\odot$)에서부터 $Z \sim Z_\odot/30$까지 넓은 금속성 범위에서 간단은퇴모형(SSP) 모델의 합성 리크 인덱스를 캘리브레이션하기 위해 은하 중심부의 구형별개구리(예: NGC 6553, NGC 6528)의 통합 스펙트럼을 사용한다.
• 표준 SSP 모델이 태양 기준 비율을 가정할 때 타원은하에서 관측된 마그네슘 및 철 인덱스 간의 오랜 기간 지속된 괴리 문제를 해결한다.
• 관측된 마그네슘-철 상관관계가 $\alpha$-원소 과잉에 기인한 것인지, 또는 다른 모델 파rameter에 기인한 것인지 테스트한다.
• 특히 금속성 높고 낮은 영역에서 외부 은하 은하계 별 인구의 원소 농도를 추정하는 데 유용한 다양한 리크 인덱스의 신뢰성 평가한다.
• 금속성 높은 별개구리에서 수평가지형(Horizontal Branch) 형상과 초기 질량 함수(IMF)가 발라인 라인 인덱스에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 은하 중심부의 금속성 높은 구형별개구리(예: NGC 6553, NGC 6528)를 포함한 은하수 별개구리의 통합 스펙트럼을 사용하여, 태양 금속성까지 확장된 SSP 모델의 캘리브레이션을 수행한다.
• 관측된 리크 인덱스($\mathrm{Mg}_2$, $\langle\mathrm{Fe}\rangle$, $\mathrm{H}\beta$, 등)를 $[\alpha/\mathrm{Fe}]$를 자유 매개변수로 포함한 SSP 모델의 예측과 비교한다.
• 다른 별진화 궤적, 피팅 함수, 初기 질량 함수(IMF)를 포함한 모델 파arameter 공간을 탐색하여 모델의 유일성 여부를 검토한다.
• 관측된 따뜻한 수평가지형 별의 존재(예: NGC 6388 및 NGC 6441에서 약 10%)를 SSP 합성에 통합하여 발라인 라인 인덱스를 모델링한다.
• 다이나믹스 질량 분리 효과로 인해 금속성 낮은 별개구리에서 마그네슘 인덱스가 현재 질량 함수에 민감함을 평가한다.
• 금속성 범위 전역에서 타원은하, 중심부 별개구리, 별개구리의 관측 추세를 $\mathrm{Mg}_2$–$\langle\mathrm{Fe}\rangle$ 다이어그램을 통해 모델 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변동 가능한 $[\alpha/\mathrm{Fe}]$ 비율을 가진 SSP 모델이 금속성 높은 별개구리와 은하 중심부에서 관측된 리크 인덱스를 재현할 수 있는가?
• RQ2 표준 SSP 모델이 태양 기준 비율을 가정할 때 왜 고금속성 체계(예: 중심부 별개구리 및 타원은하)에서 마그네슘-철 상관관계를 재현하지 못하는가?
• RQ3 초기형 별 인구에서 관측된 $\alpha$-강화는 $[\alpha/\mathrm{Fe}]$ 변화로만 설명 가능한가, 아니면 급격한 IMF 등 다른 요인이 데이터를 설명할 수 있는가?
• RQ4 외부 은하계 별 인구에서 $\alpha$-원소 및 철계 원소의 농도를 추정하는 데 신뢰할 수 있는 리크 인덱스는 무엇인가?
• RQ5 금속성 높은 별개구리에서 발라인 라인 인덱스는 수평가지형 형상에 얼마나 민감한가, 그리고 이를 정확히 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 중심부 별개구리와 타원은하에서 관측된 마그네슘-철 상관관계는 [$\alpha$/\mathrm{Fe}] = +0.3를 가진 SSP 모델에서 가장 잘 재현되며, 태양 기준 비율 모델보다 우월하다.
• 표준 SSP 모델은 고금속성($[Z/H] \gtrsim -0.7$)에서 실패하는데, 이는 저금속성 모델의 템플릿으로 허브성 별이 아닌, $\alpha$-강화가 없는 디스크 별 템플릿을 사용하기 때문이다.
• 수평가지형 형상(약 10%의 따뜻한 별 포함)이 모델에 포함되지 않은 경우, $\mathrm{H}\beta$ 및 고차수 발라인 라인 인덱스는 잘 재현되지 않는다.
• 매우 금속성 낮은 인구($[Fe/H] \lesssim -1.8$)의 마그네슘 인덱스는 주로 주진행성 별에 의해 결정되며, 따라서 현재 질량 함수에 민감하여 금속성 지표로는 신뢰할 수 없다.
• $\mathrm{Mg}_2$, $\mathrm{Mg}_1$, $\mathrm{Mg}\,b$, $\mathrm{TiO}_1$, $\mathrm{TiO}_2$ 인덱스는 $\alpha$-원소 지표로 신뢰할 수 있으나, Ca4455, NaD, Fe5782는 캘리브레이션 수준이 낮아 권장되지 않는다.
• 타원은하에서 $[\alpha/\mathrm{Fe}]$ 비율은 빛의 강도에 따라 변하며, 가장 질량이 큰 시스템에서 near-solar에서 $+0.4$로 증가함을 보여, 별 형성 기간과 은하 질량 간의 상관관계를 시사한다.