[논문 리뷰] The survey of Planetary Nebulae in Andromeda (M31): I. Imaging the disk and halo with MegaCam@CFHT

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 66인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 M31의 행성상성운(PNe)에 대한 16 평방도의 광역 조사 결과를 보고하며, MegaCam@CFHT를 사용해 [O iii] 5007 Å 복사로 4,289개의 PNe를 탐지하였고, 이 중 3,000개 이상가 새로운 것으로 확인되었다. 이는 성운 밝기 함수의 어두운 끝에서 급격한 상승을 보이며, 할로와 디스크 간에 7배 높은 밝기 특화 PNe 수치를 보여, 별의 인구 차이와 성운의 투과도 효과를 시사한다.

ABSTRACT

The Andromeda (M31) galaxy subtends nearly 100 sq. deg. on the sky, with severe contamination from the Milky Way halo stars whose surface density displays a steep gradient across the entire M31 field-of-view. Planetary Nebulae (PNe) are a population of stars firmly associated with M31, that are excellent tracers of light, chemistry and motion in galaxies. We present a 16 sq. deg. survey of the disk and inner halo of M31 with MegaCam@CFHT to identify PNe, characterize their luminosity-specific PN number and luminosity function (PNLF). PNe were identified based on their bright OIII 5007 $\unicode{x212B}$ emission and absence of a continuum. Subsamples of the faint PNe were independently confirmed by matching with resolved Hubble Space Telescope sources from the PHAT survey and spectroscopic follow-up observations with HectoSpec@MMT. The current survey reaches 2 mag fainter than the previous most-sensitive survey. We identify 4289 PNe, of which only 1099 were previously known. By comparing the PN number density with the surface brightness profile of M31 out to ~30 kpc along the minor-axis, we find that the stellar population in the inner halo has a 7 times larger luminosity-specific PN number value than that of the disk. It indicates that the stellar population at deprojected minor-axis radii larger than ~10 kpc is different from that in the M31 disk. We measure the PNLF and find a bright cut-off and a slope consistent with the previous determination by Ciardullo et al. (1989). Interestingly, it shows a significant rise at the faint end, present in all radial bins covered by the survey, much steeper than that observed for the Magellanic clouds and Milky Way bulge. M31 shows two major episodes of star formation and the rise in the faint end of the PNLF is possibly associated with the older stellar population. It may also be a result of varying opacity of the PNe.

연구 동기 및 목표

• 광역 영상 촬영을 통해 M31의 디스크와 내부 할로의 행성상성운(PNe) 분포 및 밝기 함수를 매핑하기.
• 은하수의 할로 별들에 의한 오염을 피하기 위해, M31의 별 인구를 추적하는 데 PNe를 이산적 트레이서로 사용하기.
• 밝기 특화 PNe 수를 측정하고, M31의 디스크와 할로 전역에서 PNe 인구 특성의 반경 방향 변화를 평가하기.
• PNe 밝기 함수의 어두운 끝에서의 상승 원인을 조사하며, 다른 은하들과 비교하고, 투과도 또는 인구 연령 효과를 고려하기.

제안 방법

• CFHT의 MegaCam 기구를 사용해 M31의 디스크와 내부 할로(16 평방도)를 좁은 대역 [O iii] 5007 Å 및 넓은 대역 g 필터로 촬영하기.
• 좁은 대역과 넓은 대역 영상 간의 색 지수를 통해 PNe 식별하며, [O iii] 복사가 있고 연속 스펙트럼가 없는 소스 탐지하기.
• 헤블 망원경 PHAT 조사 자료와의 교차 식별 및 MMT의 HectoSpec를 이용한 분광학적 후속 관측을 통해 어두운 PNe 탐지 검증하기.
• 모의 PNe 집단을 사용해 완전성 보정을 수행하여 신뢰할 수 있는 밝기 함수 및 특화 주파수 값 도출하기.
• PNe 밝기 함수(PNLF) 측정 및 완전성 보정된 데이터에 일반화된 분석 공식을 적합하기.
• PNe 특화 주파수(α-매개변수)의 반경 방향 변화 추세 분석 및 이전 조사 및 모델과 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M31의 디스크와 내부 할로에서 행성상성운의 반경 분포 및 밝기 함수는 어떻게 되는가?
• RQ2 할로의 밝기 특화 PNe 수는 디스크와 비교해 어떻게 다른가? 이는 별 인구의 차이에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ3 M31에서 PNe 밝기 함수의 어두운 끝에서의 상승 현상은 무엇으로 인해 발생하는가? 이는 인구 연령 또는 성운의 투과도 때문인가?
• RQ4 어두운 끝의 PNe 탐지 결과는 신뢰할 수 있는가? 다른 소스, 예를 들어 상호작용 별 또는 H II 영역에 의한 오염 가능성은 없는가?
• RQ5 M31의 PNe 특성은 은하수 및 대·소마그라니안 구름과 비교해 어떻게 다른가? 특히 PNLF 기울기와 완전성 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 이 조사에서 M31에 4,289개의 행성상성운을 탐지하였으며, 이 중 3,190개는 새로운 것으로 확인되어, 은하수 외부에서 가장 큰 PNe 샘플이다.
• 기울어진 반경 >10 kpc에서 할로의 밝기 특화 PNe 수는 디스크보다 7배 높으며, 이는 외부 할로에 별로 다른 인구가 존재함을 시사한다.
• PNe 밝기 함수(PNLF)는 어두운 끝에서 급격한 상승을 보이며, 밝기 절단점 이하 약 5.5 등까지 연장되며, LMC나 SMC보다 더 급격한 기울기를 보인다.
• 어둠진 끝의 상승 현상은 모든 반경 범위에서 관측되며, PHAT에 대응하는 PNe에서도 확인되며, 혼잡도나 오염이 원인일 수 없음을 시사한다. 이는 큰 오차 범위를 가진 분광학적 후속 관측으로 확인되었다.
• PNLF 매개변수(밝기 절단점 및 기울기)는 Ciardullo 등(1989)의 결과와 일치하지만, 어두운 끝의 상승 기울기는 은하수 부근과 마그라니안 구름보다 더 급격하다.
• 이 상승 현상은 오래된 별 인구(80억 년 이상 전에 형성된)와 관련된 PNe 또는 변동하는 성운 투과도로 인해 발생할 수 있으며, 어두운 끝에서 투과도가 높은 PNe가 지배적일 수 있다.