[논문 리뷰] The colour-magnitude relation of Globular Clusters in Centaurus and Hydra - Constraints on star cluster self-enrichment with a link to massive Milky Way GCs

Jérémy Fensch, Steffen Mieske외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 05.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 73인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 허브라, 센타우루스 은하단의 금속 농도가 낮은 별개성 군집(GC)에서 깊은 U 및 I 대역 광도 측정을 통해 색-등급관계(파랑 기울기)를 조사한다. 이는 약 2,500개의 GC에 대해 수행된 측정이다. 연구는 자기풍부화 모델에서의 초기 질량-반경 척도가 관측된 질량-금속성관계와의 일치도를 크게 향상시키며, 오메가 센타우루스와 같은 거대한 은하계 GC에서 관측되는 넓은 금속성 분포가 외부의 작은 은하 기원이 없이도 자기풍부화에 의해 자연스럽게 발생할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate the colour-magnitude relation of metal-poor globular clusters, the 'blue tilt', in the Hydra and Centaurus galaxy clusters and constrain the primordial conditions for star cluster self-enrichment. We analyse U,I photometry for about 2500 globular clusters in the central regions of Hydra and Centaurus, based on FORS1@VLT data. We convert the measured colour-magnitude relations into mass-metallicity space and obtain a scaling of Z \propto M^{0.27 \pm 0.05} for Centaurus GCs and Z \propto M^{0.40 \pm 0.06} for Hydra GCs, consistent with results in other environments. We find that the GC mass-metallicity relation already sets in at present-day masses of a few 10^5 solar masses and is well established in the luminosity range of massive MW clusters like omega Centauri. We compare the mass-metallicity relation with predictions from the star cluster self-enrichment model by Bailin & Harris (2009). For this we include effects of dynamical and stellar evolution and a physically well motivated primordial mass-radius scaling. The self-enrichment model reproduces the observed relations well for average primordial half-light radii r_h ~ 1-1.5 pc, star formation efficiencies f_* ~ 0.3-0.4, and pre-enrichment levels of [Fe/H] ~ -1.7 dex. Within the self-enrichment scenario, the observed blue tilt implies a correlation between GC mass and width of the stellar metallicity distribution. We find that this implied correlation matches the trend of width with GC mass measured in Galactic GCs, including extreme cases like omega Cen and M54. We conclude that 1. A primordial star cluster mass-radius relation provides a significant improvement to the self-enrichment model fits. 2. Broadenend metallicity distributions as found in some massive MW globular clusters may have arisen naturally from self-enrichment processes, without the need of a dwarf galaxy progenitor.

연구 동기 및 목표

• 외부 은하계 별개성 군집 시스템에서의 색-등급관계(파랑 기울기)를 이용해 별개성 군집 자기풍부화의 초깃 조건을 제약하기.
• 관측된 GC의 질량-금속성 스케일링이 현실적인 초기 군집 특성을 가진 자기풍부화 모델로 설명될 수 있는지 테스트하기.
• 초기 군집 크기(반경)와 별 형성 효율이 파랑 기울기를 어떻게 결정짓는지 조사하기.
• 센타우루스와 허브라 간의 파랑 기울기 공간적 변동성이 군집 중심 집중도의 차이인지, 또는 본질적인 초깃 조건의 차이인지 평가하기.
• 오메가 센타우루스와 같은 거대한 은하계 GC에서 관측되는 넓은 금속성 분포가 외부 기원(예: 작은 은하 기원) 없이 자기풍부화만으로 재현될 수 있는지 확인하기.

제안 방법

• VLT의 FORS1을 이용한 깊은 U 및 I 대역 광도 측정을 통해 센타우루스와 허브라의 약 2,500개의 별개성 군집 후보에 대한 평균 색과 절대 등급을 측정한다.
• 색-등급관계를 오래된 연령(11–13 Gyr)을 가정하고 TERAMO 별집단 합성 모델을 사용하여 질량-금속성 공간으로 변환한다.
• 관측된 질량-금속성 스케일링을 Bailin & Harris(2009)의 자기풍부화 모델 예측과 비교하며, 별 및 천체역학적 진화 효과를 포함한다.
• 물리적으로 타당한 초깃 질량-반경 척도(Gieles 등 2010)를 모델에 통합하여 데이터에 미치는 영향을 시험한다.
• 주요 매개변수를 변화시켜 관측된 파랑 기울기 기울기를 일치시키기 위해 모델을 조정한다: 평균 반등반경 $ r_h $, 별 형성 효율 $ f_\star $, 사전풍부 수준, 표면 밀도 프로파일.
• 매개변수 간의 비일관성(디제너레이션)을 탐색하여 관측된 관계를 재현할 수 있는 물리적으로 타당한 조합을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 센타우루스와 허브라의 별개성 군집에서 관측된 파랑 기울기는 자기풍부화와 일치하는 질량-금속성관계를 반영하는가? 그리고 어느 질량 척도에서 그 관계가 작용하기 시작하는가?
• RQ2 초기 질량-반경 관계를 포함함으로써 자기풍부화 모델이 관측된 GC 색-등급관계에 미치는 적합도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 센타우루스와 허브라 간의 파랑 기울기 강도 차이가 초기 군집 크기나 별 형성 효율의 변화로 설명될 수 있는가?
• RQ4 오메가 센타우루스와 같은 거대한 은하계 GC에서 관측되는 넓은 금속성 분포는 자기풍부화의 자연스러운 결과인가, 아니면 외부 기원(예: 작은 은하 기원)이 필요한가?
• RQ5 은하핵의 GC 집중도가 관측된 파랑 기울기에 영향을 미치는가? 만약 그렇다면, 그 방식은 무엇인가?

주요 결과

• 파랑 기울기는 센타우루스와 허브라 모두에서 확인되었으며, 기울기는 각각 $ \gamma = -0.057 \pm 0.011 $ 및 $ \gamma = -0.081 \pm 0.012 $로, 파랑 GC에 대해 의미 있는 색-등급관계가 있음을 나타낸다.
• 관측된 질량-금속성 스케일링은 센타우루스에서 $ Z \propto M^{0.27 \pm 0.05} $, 허브라에서 $ Z \propto M^{0.40 \pm 0.06} $로, 이는 이전 문헌 측정과 일치한다.
• 초기 질량-반경 척도(Gieles 등 2010)를 통합함으로써 모델-데이터 잔차가 두 배로 감소하여 자기풍부화 모델의 적합도가 크게 향상된다.
• 최적의 모델 매개변수는 $ r_h \sim 1-1.5 $ pc, $ f_\star \sim 0.3-0.4 $, 사전풍부 수준 $[Fe/H] \approx -1.7$ dex이며, 등온 구 표면 밀도 프로파일을 가진다.
• 허브라에서 더 강한 파랑 기울기는 고정된 $ f_\star \approx 0.3 $일 때 약 30% 더 작은 평균 $ r_h $ 또는 고정된 $ r_h \approx 1.5 $ pc일 때 약 20% 더 작은 $ f_\star $로 설명될 수 있다.
• 은하계 GC에서 관측된 $ M_V $ 대 $ \sigma_{[Fe/H]} $ 경향은 센타우루스 GC에서 유도된 자기풍부화 모델과 일치하며, 오메가 센타우루스와 같은 거대 GC에서 넓은 금속성 분포가 자기풍부화만으로 발생할 수 있음을 시사한다.