[논문 리뷰] The survey of planetary nebulae in Andromeda (M 31)

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 21.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 86인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 M31의 내부 할로아 하위구조에서 행성상성운(PNe)의 깊은 넓은대역 [O iii] 5007Å 조사 결과를 바탕으로, 행성상성운의 등급함수(PNLF)를 통해 그 기원을 제약한다. PNLF의 밝은 절단 magnitude(M*)와 어두운 끝 기울기(M*)는 영역 간에 크게 변동하며, 거대한 스트림과 NE-선반은 위성의 잔해로 일관되며, G1-클럽은 젊은 별이 있는 전-합체 디스크와 관련이 있고, 스트림-D는 별개의 적재 사건을 나타낸다. 결과는 대부분의 하위구조가 약 2–3 Gyr 전에 발생한 단일 주요 합체의 결과이며, 어두운 끝 PNLF는 노령한 별 집단으로부터 기인하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Context. The age–velocity dispersion relation is an important tool to understand the evolution of the disc of the Andromeda galaxy (M 31) in comparison with the Milky Way. Aims. We use planetary nebulae (PNe) to obtain the age–velocity dispersion relation in different radial bins of the M 31 disc. Methods. We separate the observed PNe sample based on their extinction values into two distinct age populations in the M 31 disc. The observed velocities of our high- and low-extinction PNe, which correspond to higher- and lower-mass progenitors, respectively, are fitted in de-projected elliptical bins to obtain their rotational velocities, Vϕ, and corresponding dispersions, σϕ. We assign ages to the two PN populations by comparing central-star properties of an archival sub-sample of PNe, that have models fitted to their observed spectral features, to stellar evolution tracks. Results. For the high- and low-extinction PNe, we find ages of ∼2.5 and ∼4.5 Gyr, respectively, with distinct kinematics beyond a deprojected radius RGC = 14 kpc. At RGC = 17–20 kpc, which is the equivalent distance in disc scale lengths of the Sun in the Milky Way disc, we obtain σϕ, 2.5 Gyr = 61 ± 14 km s−1 and σϕ, 4.5 Gyr = 101 ± 13 km s−1. The age–velocity dispersion relation for the M 31 disc is obtained in two radial bins, RGC = 14–17 and 17–20 kpc. Conclusions. The high- and low-extinction PNe are associated with the young thin and old thicker disc of M 31, respectively, whose velocity dispersion values increase with age. These values are almost twice and three times that of the Milky Way disc stellar population of corresponding ages, respectively. From comparison with simulations of merging galaxies, we find that the age–velocity dispersion relation in the M 31 disc measured using PNe is indicative of a single major merger that occurred 2.5–4.5 Gyr ago with an estimated merger mass ratio ≈1:5.

연구 동기 및 목표

• M31의 내부 할로아 하위구조(거대한 스트림, NE-선반, G1-클럽, N-클럽, W-선반, 스트림-D)의 기원을 행성상성운의 등급함수(PNLF)를 통해 규명한다.
• PNLF 매개변수(M* 및 어두운 끝 기울기)를 부모 별 집단의 별 형성 역사 및 금속성과 연관지어 본다.
• M31 하위구조 전역에서 관측된 PNLF 변화가 단일 대규모 합체 모델 또는 다수의 소규모 적재로 설명 가능한지 테스트한다.
• PNLF 형태가 5 Gyr 미만의 별 집단 비율과 금속성에 어떻게 의존하는지 조사한다.
• 실제 관측된 PNLF 데이터를 기반으로 M31의 내부 할로아 형성력을 독립적으로 제약한다.

제안 방법

• M31의 내부 할로아에서 6개의 주요 하위구조와 2개의 디스크 링(RGC = 10–20 kpc 및 20–30 kpc)에 대해 54 제곱도의 깊은 좁대역 [O iii] 5007Å 조사를 수행하여 행성상성운(PNe)을 식별하였다.
• 누적 피팅을 사용하여 각 영역의 PNLF를 측정하고, 밝은 절단 magnitude(M*)와 어두운 끝 기울기(cf2)를 결정하였다.
• 균일한 거리 및 천체선 투과도를 고려하여 하위구조 및 디스크 영역 간의 PNLF 매개변수를 통계적으로 비교하였다.
• HST 관측 결과(Bernard 등 2015) 및 LMC의 공개된 별 형성 역사(SFH) 및 금속성을 기반으로 PNLF 매개변수와 상관관계를 분석하였다.
• Dopita 등(1992)의 이론적 PNLF 모델을 사용하여 관측된 M* 변화가 금속성 및 연령에 기반한 예측과 비교되었다.
• 어두운 끝 기울기의 변화가 5 Gyr 미만의 별 집단 비율에 따라 어떻게 변화하는지 분석하여, PNLF에 대한 연령 기여도를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M31의 내부 할로아 하위구조의 PNLF 매개변수(M* 및 어두운 끝 기울기)는 디스크와 유의미하게 다를까? 이러한 차이는 기원에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ2 하위구조 간 M*의 관측된 변화는 부모 별 집단의 금속성 및 연령에 기반한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ3 각 하위구조의 PNLF 형태는 단일 대규모 합체와 다수의 소규모 적재 사건을 구분할 수 있는가?
• RQ4 다양한 M31 영역에서 PNLF의 어두운 끝에 노령한 별 집단(5 Gyr 이상)이 기여하는 비율은 얼마인가?
• RQ5 저금속성과 고유한 PNLF를 보이는 스트림-D는 다른 하위구조와 별개의 기원을 가졌는가?

주요 결과

• 거대한 스트림과 서부 선반의 PNLF 밝은 절단 magnitude(M*)는 각각 측정된 부모 집단의 금속성에 기반한 PN 진화 모델 예측보다 각각 0.6 및 0.8 mag 어두워진다.
• 스트림-D의 M* 값은 예측보다 1.5 mag 어두워져, 금속성이 현저히 낮고 다른 하위구조와는 별개의 기원을 가짐을 시사한다.
• PNLF의 어두운 끝 기울기는 5 Gyr 미만의 별 질량 비율 감소와 선형적으로 증가하여, 노령한 별 집단이 PNLF의 어두운 끝을 주로 구성함을 나타낸다.
• 거대한 스트림과 NE-선반은 PNLF 매개변수와 저금속성으로 인해 단일 타원형 위성의 붕괴 잔해로 일관되며, 이는 위성의 붕괴 후 별 형성이 일어났음을 시사한다.
• G1-클럽의 PNLF는 전-합체 디스크 기원과 일치하며, 젊은 별의 기여가 두드러져, 유입된 냉각 기체로부터의 합체 후 별 형성 가능성을 시사한다.
• PNLF 제약 조건과 제2편의 연령-속도 분산 관계를 종합하면, 대부분의 내부 할로아 하위구조는 약 2–3 Gyr 전에 발생한 단일이고 상당히 대규모의 합체 사건에서 기인하며, 스트림-D는 별개의 적재 사건에서 유래한 것으로 나타났다.