[논문 리뷰] The photometric evolution of dissolving star clusters: II. Realistic models. Colours and M/L ratios

Peter Anders, H. J. G. L. M. Lamers외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 06. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 79인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 붕괴하는 성단에서 역동적 질량 분리와 저질량 별의 선호적 손실로 인해 시간에 따라 변화하는 질량 함수를 고려한 새로운 세대의 진화 합성 모델을 제시한다. N-체 시뮬레이션 결과를 GALEV 합성 코드에 통합함으로써, 모델은 성단의 색이 점차 빨라지고 등급이 어두워지며, 질량-광도 비율이 표준 모델과 비교해 최대 4배까지 벗어나게 되어, 광학적 연령 추정에서 연령을 20–200% 과대평가하게 된다.

ABSTRACT

Evolutionary synthesis models are the prime method to construct models of stellar populations, and to derive physical parameters from observations. One of the assumptions for such models so far has been the time-independence of the stellar mass function. However, dynamical simulations of star clusters in tidal fields have shown the mass function to change due to the preferential removal of low-mass stars from clusters. Here we combine the results from dynamical simulations of star clusters in tidal fields with our evolutionary synthesis code GALEV to extend the models by a new dimension: the total cluster disruption time. We reanalyse the mass function evolution found in N-body simulations of star clusters in tidal fields, parametrise it as a function of age and total cluster disruption time and use this parametrisation to compute GALEV models as a function of age, metallicity and the total cluster disruption time. We study the impact of cluster dissolution on the colour (generally, they become redder) and magnitude (they become fainter) evolution of star clusters, their mass-to-light ratios (off by a factor of ~2 -- 4 from standard predictions), and quantify the effect on the cluster age determination from integrated photometry (in most cases, clusters appear to be older than they are, between 20 and 200%). By comparing our model results with observed M/L ratios for old compact objects in the mass range 10^4.5 -- 10^8 Msun, we find a strong discrepancy for objects more massive than 10^7 Msun (higher M/L). This could be either caused by differences in the underlying stellar mass function or be an indication for the presence of dark matter in these objects. Less massive objects are well represented by the models. The models for a range of total cluster disruption times are available online. (shortened)

연구 동기 및 목표

• 표준 진화 합성 모델이 시간이 지남에 따라 고정된 초기 질량 함수(IMF)를 가정하지만, 실제로는 성단 내에서 역동적 질량 분리와 저질량 별의 선호적 손실이 일어나는 점을 고려하지 못한 한계를 해결하기 위해.
• tidal장 내에서 역동적 진화로 인해 시간에 따라 변화하는 질량 함수가 통합 광학적 성질(예: 색, 등급, 질량-광도(M/L) 비율)에 어떤 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 합성 모델에 현실적인 성단 붕괴 과정을 통합하여 통합 광학 측정에서의 연령 및 질량 추정치를 향상시키기 위해.
• 특히 10^7 M⊙ 이상의 고립된 질량을 가진 오래된 밀집 천체에서 관측된 M/L 비율이 모델 예측보다 높은 데 기인한 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• tidal장 내 성단의 N-체 시뮬레이션 결과에서 질량 함수 기울기의 변화를 매개변수화하여, 성단 연령과 총 붕괴 시간의 함수로 표현하였다.
• 시간에 따라 변화하는 질량 함수 매개변수화를 GALEV 진화 합성 코드에 통합하여 다양한 금속성과 붕괴 시간에서의 합성 광학 측정을 계산하였다.
• 수득한 모델을 사용하여 성단의 다양한 진화 단계에서 통합 색, 등급, M/L 비율을 계산하였다.
• 관측된 오래된 밀집 천체의 M/L 비율(질량 범위 10^4.5–10^8 M⊙)과 모델 예측을 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.
• 필터 세트 선택이 연령 추정 편향에 어떤 영향을 미치는지 평가하였으며, 특히 근적외선 필터의 민감도를 분석하였다.
• 모델의 전체 세트를 http://www.phys.uu.nl/~anders/data/SSP_varMF/ 및 http://data.galev.org 으로 공개하여 공동 사용을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역동적 질량 분리로 인해 시간에 따라 변화하는 질량 함수는 성단의 광학적 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고정된 초기 질량 함수를 가정하는 표준 진화 합성 모델은 성단 연령을 얼마나 과대평가하는가?
• RQ3 질량이 10^7 M⊙를 초과하는 오래된 밀집 천체의 관측된 M/L 비율이 표준 모델 예측보다 높은 이유는 무엇인가?
• RQ4 다양한 광학 필터 세트는 붕괴하는 성단에서 연령 및 질량 추정의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 성단 붕괴 시간은 성단의 시간에 따라 변화하는 M/L 비율과 색 진화를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 성단 색은 점차 빨라지며, 이는 파란 주계열 별의 점진적 감소로 인한 것으로, 붕괴 시간이 짧은 모델일수록 이 효과가 더 두드러진다.
• 등급 진화로 인해 성단은 점점 어두워지며, 더 천천히 질량 손실이 일어나기 때문에 새로운 모델은 표준 모델보다 더 밝은 등급을 예측하여 M/L 비율을 20–40% 감소시킨다.
• 모델의 질량-광도 비율은 표준 예측에서 최대 4배까지 벗어나며, 이는 주로 초기 및 후기 붕괴 단계에서 가장 크게 나타난다.
• 광학적 연령 추정치는 20–200% 오차를 보이며, 특히 근적외선 대역을 포함한 필터 세트를 사용할 경우 최대 2–3배까지 오류가 발생한다.
• 모델은 성단 붕괴 시간의 마지막 16% 동안 M/L 비율이 표준 값보다 높아지며, 이는 항성 잔여물이 질량 예산을 지배하기 때문이다.
• 질량이 10^7 M⊙를 초과하는 밀집 천체에서는 관측된 M/L 비율이 모델 예측보다 뚜렷이 높으며, 이는 비표준 초기 질량 함수 또는 암흑 물질 존재를 시사한다.