[논문 리뷰] New theoretical Period-Luminosity-Metallicity relations for RR Lyrae in the Rubin-LSST filters

M. Marconi, R. Molinaro외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 28인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 비선형 대류 진동 모델에서 유도한 루빈-LSST 필터 시스템에서의 RR Lyr성에 대한 최초의 이론적 주기-광도-금속성도(PLZ) 관계를 제시한다. 이는 r, i, z, y 필터에서 금속성 의존성 있는 PLZ 관계와 함께 주기-웨센하이트(PW) 관계 및 gLSST−[Fe/H] 관계를 예측하며, 개별 금속성도가 알려진 후 정확하고 기장에 영향을 받지 않는 거리 측정이 가능하게 한다. F모드 진동성의 금속성 계수는 약 0.2 mag/dex이다.

ABSTRACT

The revolutionary power of future Rubin-LSST observations will allow us to significantly improve the physics of pulsating stars, including RR Lyrae. In this context, an updated theoretical scenario predicting all the relevant pulsation observables in the corresponding photometric filters is mandatory. The bolometric light curves based on a recently computed extensive set of nonlinear convective pulsation models for RR Lyrae stars, covering a broad range in metal content and transformed into the Rubin-LSST photometric system. Predicted Rubin-LSST mean magnitudes and pulsation amplitudes have been adopted to built the Bailey diagrams (luminosity amplitude vs period) and the color-color diagrams in these bands. The current findings indicate that the gLSST-rLSST, rLSST-iLSST colors obey to a well defined linear relation with the metal content. Moreover, the Period Luminosity relations display in the reddest filters (rLSST,iLSST,zLSST,yLSST) a significant dependence on the assumed metal abundance. In particular, more metal-rich RR Lyrae are predicted to be fainter at fixed period. Metal-dependent Period-Wesenheit relations for different combinations of optical and NIR filters are also provided. These represent powerful tools to infer individual distances independently of reddening uncertainties, once the metal abundance is known and no relevant deviations from the adopted extinction law occur. Finally, we also derived new linear and quadratic absolute magnitude metallicity relations (gLSST vs [Fe/H]) and the metallicity coefficient is consistent with previous findings concerning the B and the V band.

연구 동기 및 목표

• 미래 고정밀 광도 측정 조사에 대비해 루빈-LSST 필터에서 RR Lyr성의 이론적 진동 관측량을 개발한다.
• r, i, z, y LSST 대역에서 RR Lyr성에 대한 금속성 의존성 주기-광도-금속성도(PLZ) 관계를 수립한다.
• 광학 및 적외선 필터 조합을 사용하여 기장에 영향을 받지 않는 거리 추정을 가능하게 하는 주기-웨센하이트(PW) 관계를 유도한다.
• 넓은 금속성 범위에서 RR Lyr성에 대한 최초의 이론적 gLSST−[Fe/H] 관계를 선형 및 이차형식으로 제공한다.
• 주기, magnitude, 그리고 분광적 금속성도를 조합하여 은하계 및 은하간 RR Lyr성의 정확한 개별 거리 측정을 가능하게 한다.

제안 방법

• 다양한 금속성도(Z = 0.0001에서 0.0200)와 질량을 가진 RR Lyr성에 대한 포괄적인 비선형 대류 진동 모델 세트를 활용하였다.
• 합성 필터 변환을 사용하여 이러한 모델의 볼로메트릭 광도 곡선을 루빈-LSST 광학계로 변환하였다.
• 기본모드(F) 및 제1오버톤(FO) 진동 모드에서 u, g, r, i, z, y 필터에서 강도 가중 평균 magnitude와 진동 진폭을 계산하였다.
• Bailey 다이어그램(광도 대 주기)과 색-색 다이어그램을 구성하여 주기-진폭 및 색-금속성도 관계를 분석하였다.
• r, i, z, y 필터에서 이론적 PLZ 관계를 유도하였으며, 특히 더 빨간색 필터에서 금속성 의존성이 뚜렷하게 나타남을 확인하였다.
• g−r, r−i, z−y 등 다양한 필터 조합을 사용하여 기장 의존성을 최소화하는 주기-웨센하이트(PW) 관계를 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RR Lyr성의 주기-광도-금속성도(PLZ) 관계는 루빈-LSST r, i, z, y 필터에서 어떻게 행동하며, 금속성도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 LSST 시스템의 다양한 광학 및 적외선 필터 조합에서 주기-웨센하이트(PW) 관계의 금속성도 의존성은 어떠한가?
• RQ3 RR Lyr성의 gLSST magnitude는 [Fe/H]와 어떻게 상관관계를 가지며, 전체 금속성 범위에서 선형인지 이차형인가?
• RQ4 금속성도 불확실성이 PLZ 관계로부터 유도된 개별 거리 측정에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 LSST 필터에서 예측된 색-색 다이어그램은 금속성도와 진동 모드(F 대비 FO)의 차이를 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• gLSST−rLSST 및 rLSST−iLSST 색은 금속성도와 잘 정의된 선형 관계를 보이며, 광도 측정을 통한 금속성도 추정이 가능하다.
• r, i, z, y 필터에서의 PLZ 관계는 금속성도 의존성이 뚜렷하게 나타나며, 특히 더 금속성도가 높은 RR Lyr성은 고정된 주기에서 더 어두워진다.
• g−r 및 r−i 등 필터 조합을 사용한 주기-웨센하이트(PW) 관계는 금속성도에 거의 영향을 받지 않아 기장 없이 거리 추정에 이상적이다.
• gLSST−[Fe/H] 관계의 금속성 계수는 이전 V-대역 연구 결과와 일치하며, F모드 진동성의 선형 계수는 약 0.2 mag/dex이다.
• 가정된 평균 금속성도가 진정한 값과 다를 경우 약 0.2 mag/dex의 체계적 거리 오차가 발생하므로, 개별 분광적 금속성도가 필요하다는 점을 시사한다.
• FO모드 진동성은 PLZ 및 PW 관계에서 금속성도 의존성이 약 0.1 mag/dex로 더 약해져, 금속성도 불확실성에도 불구하고 거리 측정에 강력하다.