[논문 리뷰] The old and heavy bulge of M31 I. Kinematics and stellar populations

R. P. Saglia, M. Fabricius외 8명|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 23인용 수 60

한 줄 요약

이 연구는 M31의 부두에 대한 새로운 장선 분광학을 제시하며, 이전의 속도 분산 값이 최대 50 km/s 정도로 과소평가되었음을 밝혀내고, 이로 인해 은하핵 질량 예측과 관측 결과 간의 격차가 3배에서 2배로 줄어들게 되었다. 별의 질량이 재보정되었으며, 부두는 균일하게 오래된(≥12 Gyr), 금속성 높고, α요소 농축된 특성을 띠며, 최근의 별 형성과 기체 반대방향 회전은 소규모 은하의 융합으로 인한 것으로 여겨진다.

ABSTRACT

We present new optical long-slit data along 6 position angles of the bulge region of M31. We derive accurate stellar and gas kinematics reaching 5 arcmin from the center, where the disk light contribution is always less than 30%, and out to 8 arcmin along the major axis, where the disk makes 55% of the total light. We show that the velocity dispersions of McElroy (1983) are severely underestimated (by up to 50 km/s) and previous dynamical models have underestimated the stellar mass of M31's bulge by a factor 2. Moreover, the light-weighted velocity dispersion of the galaxy grows to 166 km/s, thus reducing the discrepancy between the predicted and measured mass of the black hole at the center of M31. The kinematic position angle varies with distance, pointing to triaxiality. We detect gas counterrotation near the bulge minor axis. We measure eight emission-corrected Lick indices. They are approximately constant on circles. We derive the age, metallicity and alpha-element overabundance profiles. Except for the region in the inner arcsecs of the galaxy, the bulge of M31 is uniformly old (>12 Gyr, with many best-fit ages at the model grid limit of 15 Gyr), slightly alpha-elements overabundant ([alpha/Fe]~0.2) and at solar metallicity, in agreement with studies of the resolved stellar components. The predicted u-g, g-r and r-i Sloan color profiles match reasonably well the dust-corrected observations. The stellar populations have approximately radially constant mass-to-light ratios (M/L_R ~ 4-4.5 for a Kroupa IMF), in agreement with stellar dynamical estimates based on our new velocity dispersions. In the inner arcsecs the luminosity-weighted age drops to 4-8 Gyr, while the metallicity increases to above 3 times the solar value.

연구 동기 및 목표

• 새로운 적외선 장선 분광학을 사용하여 M31 부두 영역 전반의 정확한 별과 기체 운동학을 확보한다.
• 방출선 보정된 Lick 지표와 단순 별집단 모델을 사용하여 M31 부두의 별집단 특성을 재평가한다.
• 속도 분산 값이 부족하게 보고된 데서 기인한 역학적 질량 추정치의 모순을 해결한다.
• 기체 반대방향 회전의 기원과 최근의 별 형성의 기원을 이온화 진단과 집단 모델링을 통해 탐구한다.
• M31 부두 및 디스크 성분의 삼축성과 마이크로렌즈율에 대한 향후 역학 모델링의 기초를 마련한다.

제안 방법

• M31 부두를 가로질러 6개의 위치각에 걸쳐 새로운 적외선 장선 스펙트럼을 확보하였으며, 주축 방향으로 최대 8 arcmin까지 연장되었다.
• 방출선 보정된 Lick 지표(예: Hβ, Fe5270)를 측정하고, 단순 별집단 모델을 사용하여 연령, 금속성, [α/Fe] 프로파일을 유도하였다.
• 속도 분산 측정값을 적용하여, 비틀림 정리와 역학적 질량 추정식을 사용해 이전에 과소평가된 별 질량을 보정하였다.
• [OIII]/Hβ 및 [NI]/Hβ 방출선 등가폭 기반의 진단 다이어그램을 사용하여 이온화 메커니즘을 평가하였다.
• 오래된 + 젊은 성분의 복합 별집단 모델링을 통해 최근 별 형성 사건의 질량과 연령을 제약하였다.
• Kroupa 초기 질량 함수를 사용하여 질량-광도 비율(M/L_R)을 보정하고, 역학적 추정치와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 속도 분산 측정치는 이전 연구에 비해 M31 부두의 추정 별 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공간적으로 해상된 M31 부두의 별집단 특성(연령, 금속성, [α/Fe])은 반경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 미소축 방향에서 관측된 반대방향 기체의 기원은 무엇이며, 최근 은하 상호작용에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 내부 1 arcsecond 내에서 관측된 젊은 별집단은 어느 정도의 정도로 최근 소규모 융합 사건으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 예측된 Sloan 광학 색상과 관측된 먼지 보정 색상 간의 비교는 현재의 단순 별집단 모델에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• McElroy(1983)의 속도 분산 값은 최대 50 km/s 과소평가되었으며, 이로 인해 부두의 별 질량이 두 배로 과소평가되었다.
• 회전을 고려할 경우 M31의 빛에 가중된 속도 분산은 166–170 km/s로 증가하여, 예측된 블랙홀 질량과 측정된 질량 간의 격차가 3배에서 2배로 감소하였다.
• 부두는 균일하게 오래되었으며(≥12 Gyr, 최적 피팅 연령 15 Gyr), 약간의 α요소 과잉([α/Fe] ≈ 0.2)과 태양 금속성 수준을 띠며, 내부 1 arcsecond를 제외한 영역에서 그러하다.
• 내부 1 arcsecond에서는 빛에 가중된 연령이 4–8 Gyr로 감소하고, 금속성이 태양의 3배 이상을 초과하여 최근 별 형성 사건을 시사한다.
• 주축 방향으로 6 arcmin 이상 떨어진 영역에서는 평균 연령이 ≤8 Gyr이며, 약간의 태양 초과 금속성(+0.1 dex)과 [α/Fe] ≈ +0.2 dex를 보이며, M/L_R ≤ 3 M☉/L☉이다.
• 진단 다이어그램은 중심부 근처에서 기체 이온화가 충격 주도에서 AGN 유사 상태로 변화하고 있음을 시사하며, 이는 최근 소규모 융합가운데 핵 활동과 별 형성의 촉진을 뒷받침한다.