[논문 리뷰] New Surface Brightness Fluctuations Spectroscopic Technique: NGC4449 and its Stellar Tidal Stream

Elisa Toloba, Puragra Guhathakurta외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 70인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 국지군 이외의 낮은 표면 밝기 은하 및 별의 흐름을 측정하기 위해 적색 거성지수 위의 표면 밝기 변동을 대상으로 하는 새로운 분광 기법을 소개한다. 이 기법은 적색 거성지수 위의 밝은 변동 원천을 대상으로 하여 국지군 이외의 낮은 표면 밝기 은하와 별의 흐름의 도약 속도와 금속성을 측정한다. 3.8 Mpc 떨어진 NGC 4449와 그의 조석 흐름에 적용한 결과, 이중의 태양계에서의 속도가 유사한 중력적으로 결합된 체계임이 드러났다 (227.3 ± 10.7 km s⁻¹ 와 225.8 ± 16.0 km s⁻¹), 그리고 흐름의 금속성은 [Fe/H] = −1.37 ± 0.41로 국지군의 난쟁이 은하 관계와 일치한다.

ABSTRACT

We present a new spectroscopic technique based in part on targeting the upward fluctuations of the surface brightness for studying the internal stellar kinematics and metallicities of low surface brightness galaxies and streams beyond the Local Group. The distance to these systems makes them unsuitable for targeting individual red giant branch (RGB) stars (tip of RGB at $I\gtrsim24$~mag) and their surface brightness is too low ($μ_r\gtrsim 25$~mag~arcsec$^{-2}$) for integrated light spectroscopic measurements. This technique overcomes these two problems by targeting individual objects that are brighter than the tip of the RGB. We apply this technique to the star-forming dwarf galaxy NGC 4449 and its stellar stream. We use Keck/DEIMOS data to measure the line-of-sight radial velocity out to $\sim7$~kpc in the East side of the galaxy and $\sim8$~kpc along the stream. We find that the two systems are likely gravitationally bound to each other and have heliocentric radial velocities of $227.3\pm10.7$~km/s and $225.8\pm16.0$~km/s, respectively. Neither the stream nor the near half of the galaxy shows a significant velocity gradient. We estimate the stellar metallicity of the stream based on the equivalent width of its Calcium triplet lines and find [Fe/H]~$=-1.37\pm0.41$, which is consistent with the metallicity-luminosity relation for Local Group dwarf galaxies. Whether the stream's progenitor was moderately or severely stripped cannot be constrained with this metallicity uncertainty. We demonstrate that this new technique can be used to measure the kinematics and (possibly) the metallicity of the numerous faint satellites and stellar streams in the halos of nearby ($\sim 4$~Mpc) galaxies.

연구 동기 및 목표

• 개별 항성이 너무 흐려 분광법을 적용하기 어려우며, 통합 빛 방법이 낮은 표면 밝기로 인해 실패하는 국지군 이외의 낮은 표면 밝기 은하와 별의 흐름을 연구하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 기존의 분해된 항성 및 통합 빛 분광법의 한계를 극복하기 위해 적색 거성지수 위의 밝은 변동 원천을 대상으로 한다.
• 국소 우주 내에서 희미하고 흐릿한 체계, 예를 들어 난쟁이 위성과 조석 흐름의 운동학과 금속성을 측정할 수 있도록 한다.
• ΛCDM 우주론을 시험할 수 있는 길을 제공하며, 부족한 위성 문제와 같은 모순을 해결하기 위해 국지군 외부의 허브에서의 하위조직을 연구한다.
• 이 기법이 NGC 4449와 그의 별 흐름에 대해 실현 가능함을 입증하며, 향후 유사한 체계에 대한 연구의 템플릿을 제공한다.

제안 방법

• 적색 거성지수 위의 밝은 별 개체(예: I ≳ 23.5 mag)를 대상으로 하며, 이들은 공간적 군집 또는 진화된 별로 인해 표면 밝기 변동으로 나타난다.
• Keck/DEIMOS를 사용하여 이러한 변동 원천의 고해상도 분광을 확보하여 시선 방향 도약 속도를 측정한다.
• 변동 원천의 개별 스펙트럼을 공통으로 합쳐 통합 빛 유사 성질을 유도하며, 칼슘 삼중선(CaT) 등가폭을 통해 금속성 추정이 가능하다.
• CaT 등가폭의 경험적 보정을 적용하여 [Fe/H] 금속성을 추정하며, 중간 연령 AGB 오염이 최소한인 오래된 별 집단을 가정한다.
• 중력적으로 결합되어 있는지 평가하기 위해 은하와 그의 흐름 간의 도약 속도 프로파일과 중앙 속도를 비교한다.
• Subaru 망원경의 광학적 데이터를 사용하여 대상 체계의 공간적 범위와 표면 밝기를 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 방법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 분광 기법이 국지군 이외의 낮은 표면 밝기 은하와 조석 흐름을 연구하는 데 성공할 수 있는가?
• RQ2 도약 속도 일관성에 기반해 별의 흐름과 은하 NGC 4449는 중력적으로 결합되어 있는가?
• RQ3 별의 흐름의 금속성은 무엇이며, 국지군 난쟁이 은하의 금속성-광도 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 기법은 개별 항성이 너무 흐려지고 통합 빛이 불가능한 체계에서 운동학과 금속성을 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ5 측정된 금속성이 흐름의 원천의 질량과 벗겨짐 역사에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• NGC 4449의 동부 쪽 도약 속도는 227.3 ± 10.7 km s⁻¹이며, 흐름의 속도는 225.8 ± 16.0 km s⁻¹로, 이는 이들이 중력적으로 결합되어 있을 가능성이 높음을 시사한다.
• 은하 또는 흐름을 따라 명백한 속도 기울기가 감지되지 않아, 동역학적으로 안정되거나 천천히 진화하는 체계일 가능성이 있다.
• 별의 흐름은 [Fe/H] = −1.37 ± 0.41의 금속성을 가지며, 국지군 난쟁이 은하에서 관측된 금속성-광도 관계와 일치한다.
• 큰 금속성 불확실성으로 인해 흐름의 원천이 일반적인 국지군 난쟁이 은하인지 아니면 더 질량이 크고 심하게 벗겨진 체계인지에 대한 명확한 제약은 불가능하다.
• 이 기법은 3.8 Mpc 거리에 있는 체계에서 도약 속도와 금속성을 성공적으로 측정하였으며, 여기서 기존의 분해된 항성 분광법은 적용 불가능하고 통합 빛은 너무 흐려서 사용할 수 없다.
• 이 방법은 근처 은하의 희미한 위성과 흐름, 예를 들어 PISCeS 조사 및 M81 군의 체계에 적용 가능하며, 향후 동역학적 및 화학적 모델링을 가능하게 한다.