[논문 리뷰] The Besancon Galaxy model renewed I. Constraints on the local star formation history from Tycho data

M. Czekaj, A. C. Robin외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 13.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 54인용 수 71

한 줄 요약

이 논문은 타이코-2 전천 천체망원경의 광학적 관측 자료를 활용하여 별 형성 역사(SFH)와 초기 질량 함수(IMF)의 제약 조건을 향상시킨 베사농 은하모형(Besançon Galaxy Model, BGM)의 개선된 버전을 제시한다. 밀도가 낮은 디스크를 IMF, 별 형성률(SFR), 진화 궤적에 대한 자유 매개변수로 모델링하고 일관된 이중성 별 생성을 통합함으로써, 모델은 감소하는 SFR과 약 3.0에 가까운 고질량 IMF 기울기를 발견하였으며, 살페터의 기울기(α = 2.35)는 배제되고 태양계 근처에서의 별 형성률 감소를 지지한다.

ABSTRACT

The understanding of Galaxy evolution can be facilitated by the use of population synthesis models, which allows us to test hypotheses on the star formation history, star evolution, and chemical and dynamical evolution of the Galaxy. The new version of the Besancon Galaxy model (hereafter BGM) aims to provide a more flexible and powerful tool to investigate the initial mass function (IMF) and star formation rate (SFR) of the Galactic disc. We present a new strategy for the generation of thin disc stars, which assumes the IMF, SFR and evolutionary tracks as free parameters. We have updated most of the ingredients for the star count production and, for the first time, binary stars are generated in a consistent way. The local dynamical self-consistency is maintained in this new scheme. We then compare simulations from the new model with Tycho-2 data and the local luminosity function, as a first test to verify and constrain the new ingredients. The effects of changing thirteen different ingredients of the model are systematically studied. For the first time, a full sky comparison is performed between BGM and data. This strategy allows us to constrain the IMF slope at high masses, which is found to be close to 3.0 and excludes a shallower slope such as Salpeter's one. The SFR is found decreasing whatever IMF is assumed. The model is compatible with a local dark matter density of 0.011 Mo/pc^3 implying that there is no compelling evidence for the significant amount of dark matter in the disc. While the model is fitted to Tycho-2 data, which is a magnitude limited sample with V<11, we check that it is still consistent with fainter stars. The new model constitutes a new basis for further comparisons with large scale surveys and is being prepared to become a powerful tool for the analysis of the Gaia mission data.

연구 동기 및 목표

• 초기 질량 함수(IMF), 별 형성률(SFR), 항성 진화 궤적을 별도로 조정할 수 있도록 더 유연하고 자기 일관성을 갖춘 베사농 은하모형(Besançon Galaxy Model, BGM)의 개선된 버전을 개발하는 것.
• 일관된 이중성 별 생성을 도입하고 국소 역학적 자기 일관성을 유지함으로써 밀도가 낮은 디스크 별의 시뮬레이션을 향상시키는 것.
• 전천 타이코-2 자료(V < 11)와 국소 빛의 밀도 함수를 사용하여 IMF와 SFR을 제약 조건화함으로써 관측 결과와의 강력한 통계적 비교를 가능하게 하는 것.
• 모델이 과잉으로 파란 별을 생성하지 않고 관측된 별 수를 재현할 수 있는지 테스트함으로써, 잘못된 SFR 또는 IMF가 원인이 되는지 확인하는 것.
• 모델의 정밀도를 향상시키고 매개변수의 혼동을 다루는 데서 향후 가우아 우주선 임무 자료 분석의 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 모델은 IMF 기울기, SFR 변화, 항성 진화 궤적에 대한 자유 매개변수를 사용하여 밀도가 낮은 디스크 별을 생성함으로써 이들 구성 요소를 독립적으로 변화시킬 수 있도록 한다.
• F. Arenou가 제공한 세부적인 구현 전략을 활용하여 일관된 이중성 별 생성을 수행함으로써 합성 광학 측정의 현실성 향상.
• 모든 하늘에 걸쳐 먼지 적색화와 흡수를 보정하기 위해 3차원 먼지 모델(Marshall et al. 2006 및 Drimmel & Spergel 2001)을 적용한다.
• 전천 별 수 시뮬레이션을 직접 타이코-2 자료와 비교함으로써 모델 매개변수의 전천 통계적 검증이 가능하다.
• 모델의 13가지 구성 요소에 대한 체계적 민감도 분석을 수행하여 시뮬레이션된 별 수와 색상 분포에 미치는 영향을 평가한다.
• 모델은 국소 빛의 밀도 함수와 검은 별(V > 14)에 대한 일관성 테스트를 통해, 자료의 한계를 초월한 정확성과 신뢰성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양계 근처에서 관측된 타이코-2 색-등급 분포를 가장 잘 재현하는 IMF 기울기는 무엇인가?
• RQ2 일정한 별 형성률이 아니고 감소하는 별 형성률이 타이코-2 조사에서 관측된 별 수와 더 잘 맞는가?
• RQ3 Marshall et al. 2006와 Drimmel & Spergel 2001의 서로 다른 먼지 모델이 모델이 관측된 별 수를 재현하는 데 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 모델은 은하의 평면 내에서 다양한 은하 위도에서 관측된 (B-V)T 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ5 타이코-2 자료는 국소 암흑물질 밀도에 어떤 제약 조건을 가하며, 모델은 유의미한 디스크 암흑물질 성분을 지지하는가?

주요 결과

• 모델은 고질량 IMF 기울기를 약 3.0로 발견하였으며, 이는 살페터의 기울기(α = 2.35)와 같은 낮은 기울기를 강력히 배제한다. 이러한 기울기는 물리적으로 비현실적인 파란 별의 과잉 생성을 유도하기 때문이다.
• 관측 자료와 일치시키기 위해서는 감소하는 별 형성률(SFR)이 필요하다. 어떤 IMF를 사용하든 일정한 SFR은 파란 별의 현저한 과잉 생성을 초래한다.
• 모델는 국소 암흑물질 밀도 0.011 M☉ pc⁻³과 일치하며, 유의미한 디스크 암흑물질 성분에 대한 설득력 있는 증거는 없다.
• 새로운 모델은 태양계 근처의 전체 하늘, 중간 및 고위도 은하 위도에서 타이코-2 자료를 성공적으로 재현하였으며, 더 어두운 별(V > 14)과도 일관성을 유지한다.
• 쿠로파-헤이워드 v6 IMF와 헤이워드-로빈 IMF를 조합하고, 아우머와 빈니(2009)의 감소하는 SFR을 적용할 경우 타이코-2 자료와 가장 잘 맞는다.
• 모델는 타이코-2 자료만으로도 태양계 근처에서 밝은 별과 중간 질량 범위에서 IMF와 SFR에 강력한 제약 조건을 가질 수 있음을 입증한다.