[논문 리뷰] Mortality and dust expulsion in early phases of stellar clusters. Evidence from NIR photometry of nearby, spiral galaxies

P. Grosboêl, H. Dottori|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 6개의 근접한 spiral 은하에서 젊은 항성 군집 복합체의 near-infrared (J-K)–M_K 색도-등급도를 사용하여 초기 단계 군집 진화를 조사한다. 몽테카를로 시뮬레이션과 Starburst99 모델을 활용한 군집 인구 모델링을 통해, 질량이 큰 군집이 5–10 Myr 동안 복사 및 초신성에 의해 먼지와 가스가 급격히 제거되면서 빠른 투명도 증가를 겪으며, 이로 인해 높은 유아 사망률을 보이며, 연령 지수 γ = -1.4 ± 0.5를 나타낸다.

ABSTRACT

It is often argued that young stellar clusters suffer a significant infant mortality that is partly related to the expulsion of dust and gas in their early phases caused by radiation pressure from hot stars and supernovae. Near-infrared (J-K)-Mk diagrams of young stellar clusters in nearby spiral galaxies show a bi-modal distribution that is consistent with a fast decline of their intrinsic extinction at an early epoch. The distinct features in the color-magnitude diagrams (CMD) and the fast change of colors for the youngest clusters allow us to place constraints on their early evolutionary phases, including the time scale for the decreasing extinction caused for instance by gas and dust expulsion. Monte Carlo simulations of cluster populations were performed using the power-law distribution function g(M, t) ~ M^a t^gam. Integrated colors were computed from Starburst99 models. The simulated near-infrared CMD were compared with those observed for six grand-design, spiral galaxies using statistical goodness-of-fit tests. The CMDs indicate a significant mortality of young, massive clusters with gam = -1.4 +-0.5. High initial extinction Av = 8-11m and strong nebular emission are required to reproduce the bi-modal color distributions of the clusters. An extended star formation phase of longer than 5 Myr is suggested. The reduction of the internal extinction of the clusters starts during their active star formation and lasts for a period of 5-10 Myr.

연구 동기 및 목표

• 젊은 항성 군집의 초기 진화 단계를 제약하기, 특히 먼지와 가스 제거의 timescale을 규명하기.
• 근접한 spiral 은하에서 질량이 큰 군집 복합체의 유아 사망률을 정량화하기.
• 관측된 NIR CMD에서의 이중성 색도 분포가 피드백 과정에 의해 유도된 빠른 투명도 감소와 일치하는지 확인하기.
• 은하중 방출과 투명도 법칙이 관측된 군집 색도를 재현하는 데 미치는 영향 평가하기.
• 통계적 인구 합성과 적합도 검정을 통해 군집 형성 및 붕괴 역사를 모델링하기.

제안 방법

• 질량과 연령 의존성을 모델링하기 위해 거듭제곱 법칙 분포 함수 g(M, τ) ∝ M^α τ^γ 를 사용한 군집 인구에 대한 몽테카를로 시뮬레이션.
• Starburst99 항성 인구 모델에서 통합된 near-infrared 색도를 계산하였으며, 은하중 방출과 다양한 투명도 법칙(β = 1.8–2.0)을 포함하였다.
• 6개 은하에서 시뮬레이션된 것과 관측된 색도-등급도를 비교하기 위해 통계적 적합도 검정(Kolmogorov-Smirnov)을 사용하였다.
• 모델 매개변수(예: τ_x, dτ, A_V^x, M_u)를 변화시켜 최적의 맞춤 구성 조건을 찾았으며, 유의성은 집단 보정된 임계 값 D̂ 를 통해 평가하였다.
• 통계적 변동성에 대한 민감도를 평가하기 위해 서로 다른 난수 시드를 사용한 5번의 동일한 시뮬레이션을 실행하여 매개변수 불확실성(±10%) 추정하였다.
• 군집 진화 궤적(CET)은 투명도 감소 단계 동안의 색도 변화를 반영하도록 모델링되었지만, CET 개선에는 분광학적 데이터를 사용하지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 젊고 질량이 큰 군집 복합체에서 내부 투명도가 감소하는 timescale은 무엇인가?
• RQ2 젊은 군집의 유아 사망률은 연령에 따라 어떻게 변화하며, 이에 따른 연령 지수 γ 는 무엇인가?
• RQ3 은하중 방출은 젊은 군집의 near-infrared 색도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 이중성 색도 분포를 재현하기 위해 필요한 초기 및 최종 투명도 수준(A_V)은 무엇인가?
• RQ5 군집 복합체에서 별 형성이 멈춘 후인지 이전인지, 투명도 감소가 시작되는가?

주요 결과

• 연령 지수 γ = -1.4 ± 0.5 는 시간이 지남에 따라 젊고 질량이 큰 군집의 수가 급격히 감소함을 나타내며, 이는 높은 유아 사망률을 시사한다.
• 초기 평균 시각적 투명도 A_V^x 는 8–11 mag 이며, 3–4 mag(패도바 모델 기준 거의 0에 가까움)로 감소함을 나타내어 초기에 상당한 먼지 투명도가 있음을 시사한다.
• 투명도 감소는 활동적인 별 형성 기간 동안 시작되며, 5–10 Myr 동안 지속되며, τ_x < τ_s 이므로 별 형성이 끝나기 이전에 제거가 시작됨을 의미한다.
• β ≈ 1.8–2.0 이며 은하중 방출이 상당히 중요한 모델이 관측된 색도를 가장 잘 재현하며, 특히 젊은 군집의 적색 이격 현상을 설명한다.
• 데이터를 일치시키기 위해 최소 5 Myr 이상의 연장된 별 형성 단계가 필요하며, τ_x = 2–15 Myr 는 최적의 맞춤을 위해 짧은 τ_x 와 긴 dτ 를 선호한다.
• 결과는 먼지와 가스 제거가 초기 초신성에 의해 유도되며, 피드백이 거대 분자 구름을 붕괴시키기까지 다수의 폭발 이후에야 작용하여 장기적인 별 형성을 허용함을 시사한다.