[논문 리뷰] The Star Formation History of a Post-Starburst Galaxy Determined From Its Cluster Population

Rupali Chandar, Angus Mok외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 68인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주망원경 UBR 이미징을 통해 S12 후성성성 은하의 분해된 성간 별집단 인프라를 이용하여, 약 120백만 년 전에 발생한 매우 강력한 별 형성 폭발을 확인한다. 별집단의 빛의 세기와 색깔을 별집단 모델과 비교함으로써, 약 500+500/−250 M⊙yr−1의 피크 별 형성률로 약 50백만 년 동안 지속된 최근의 극도로 강력한 별 형성 폭발이 있었고, 현재는 별 형성이 일어나지 않음을 발견하였다. 이는 복합 별빛 피팅 결과를 직접적으로 확인하며, 이전에 약 1–30억 년 전에 발생한 중간 수준의 별 형성 폭발도 드러내었다.

ABSTRACT

The recent star formation histories (SFHs) of post-starburst galaxies have been determined almost exclusively from detailed modeling of their composite star light. This has provided important but limited information on the number, strength, and duration of bursts of star formation. In this work, we present a direct and independent measure of the recent SFH of S12 (plate-mjd-fiber for SDSS 623-52051-207; designated EAS12 in Smercina et al. 2018) from its star cluster population. We detect clusters from high resolution, $UBR$ optical observations from HST, and compare their luminosities and colors with stellar population models to estimate the ages and masses of the clusters. No clusters younger than $\sim$70 Myr are found, indicating star formation shut off at this time. Clusters formed $\sim$120 Myr ago reach masses up to $\sim \mbox{few} imes10^7~M_{\odot}$, several times higher than similar age counterparts formed in actively merging galaxies like the Antennae and NGC 3256. We develop a new calibration based on known properties for 8 nearby galaxies to estimate the star formation rate (SFR) of a galaxy from the mass of the most massive cluster, $M_{ m max}$. The cluster population indicates that S12 experienced an extremely intense but short-lived burst $\sim$120 Myr ago, with an estimated peak of $500^{+500}_{-250}~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$ and duration of $50\pm25$ Myr, one of the highest SFRs estimated for any galaxy in the nearby universe. Prior to the recent, intense burst, S12 was forming stars at a moderate rate of $\sim 3{-}5~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$, typical of spiral galaxies. However, the system also experienced an earlier burst approximately $1{-}3$ Gyr ago. While fairly uncertain, we estimate that the SFR during this earlier burst was $\sim20{-}30~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$, similar to the current SFR in the Antennae and NGC 3256.

연구 동기 및 목표

• 복합 별빛 모델링에만 의존하지 않고, 별집단 인프라를 이용하여 후성성성 은하 S12의 최근 별 형성 역사를 독립적으로 규명하는 것.
• 해당 분해된 별집단의 빛의 세기와 색깔이 후성성성 은하에서 과거 별 형성 폭발의 시기, 지속 기간, 강도를 어떻게 신뢰성 있게 제약 조건을 줄 수 있는지 테스트하는 것.
• 실제로 알려진 별 형성률을 가진 은하에서 별집단의 가장 무거운 별집단 질량(Mmax)과 별 형성률(SFR) 간의 새로운 교정 관계를 수립하여, 별집단 데이터로부터 별 형성률 추정치를 산출하는 것.
• S12에서 오래된 중간 연령의 별집단 집단이 존재하는지와 그 특성을 조사하여, 약 30억 년 동안의 전체 별 형성 역사를 재구성하는 것.
• 복합 별빛 피팅과 별집단 기반 추정치 사이의 괴리를 해결하기 위해 고해상도 HST 이미징을 통해 직접적으로 별집단의 연령과 질량을 측정하는 것.

제안 방법

• 허블 우주망원경 자료에서 S12와 그 항성형성 은하의 고해상도 UBR 광학 이미징을 확보하였다.
• Photutils 소프트웨어 패키지를 사용하여 HST 이미지에서 점원소 탐지 및 광도 측정을 수행하여 U, B, R 대역에서 별집단의 밝기를 측정하였다.
• 관측된 별집단의 색깔과 빛의 세기를 Bruzual & Charlot(2003)의 단일 별집단 모델 예측과 비교하여 개별 별집단의 연령과 질량을 추정하였다.
• 8개의 근접 은하에서 잘 측정된 별 형성률과 별집단 인프라를 이용하여, 가장 무거운 별집단 질량(Mmax)과 별 형성률(SFR) 간의 새로운 교정 관계를 수립하였다.
• Mmax–SFR 교정 관계를 사용하여 S12의 다양한 시간 간격에서의 별 형성률을 추정하였으며, 특히 최근의 폭발과 이전의 사건에 초점을 맞추었다.
• 다양한 연령의 별집단의 공간 분포를 분석하여 천체역학적 진화와 병합 역사를 추론하였고, Spitzer IRS 스펙트럼을 분석하여 8 µm 피크 지역에서 숨겨진, 은폐된 별 형성 활동이 존재하는지 여부를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후성성성 은하 S12의 최근 별 형성 역사는 분해된 별집단 인프라를 직접 측정하여 어떻게 규명될 수 있는가?
• RQ2 S12의 별 형성률은 시간에 따라 어떻게 변화하는가? 특히 강력한 폭발과 이전의 중간 수준의 사건 동안 어떻게 변화하는가?
• RQ3 가장 무거운 별집단 질량(Mmax)은 별 형성률의 피크를 신뢰성 있게 추정하는 데 사용될 수 있는가? 극단적인 폭발 상황에서 이 교정 관계는 얼마나 잘 유지되는가?
• RQ4 강한 8 µm 복사 피크 지역에서는 지속되거나 숨겨진 별 형성이 이루어지고 있는가? Spitzer 스펙트럼은 이러한 활동을 확인하거나 배제하는가?
• RQ5 별집단 기반 결과는 S12의 통합 빛에 대한 이전의 복합 별빛 피팅 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 약 70백만 년 미만의 별집단은 탐지되지 않았으며, 이는 현재 별 형성률의 상한선이 < 0.05 M⊙yr−1임을 의미한다.
• 가장 강력한 별 형성 폭발은 약 120백만 년 전에 발생했으며, 피크 별 형성률은 500+500/−250 M⊙yr−1로 추정되고, 지속 기간은 50 ± 25 백만 년이었다. 이는 국지 우주에서 측정된 바 있는 가장 높은 별 형성률 중 하나이다.
• 약 100백만 년 전에 별 형성률은 약 ~65+65/−33 M⊙yr−1로 감소하였고, 약 70백만 년 전에는 약 ~13+13/−6 M⊙yr−1로 감소한 후 급격히 끊어졌다.
• 최근 폭발 이전에는 S12가 약 3–5 M⊙yr−1의 중간 수준의 별 형성률로 활동했으며, 이는 침체된 나선 은하의 일반적인 특성이다.
• 이전에 발생한 중간 연령의 별집단 집단은 약 1–30억 년 전에 형성되었으며, 별 형성률은 약 ~20–30 M⊙yr−1로 추정되었고, 이는 앤티나스 은하나 NGC 3256와 같은 현재 진행 중인 병합 사건과 유사하다.
• 젊은 별집단이 은하 중심 부근에 집중되어 있는 것은 병합으로 인한 공융합 기원을 지지하며, 8 µm 피크에서 Spitzer 스펙트럼은 이슬람성 방출이 없음을 보여주어 깊이 있는 은폐된 별 형성 활동을 배제한다.