[논문 리뷰] VLT observations of metal-rich extra galactic HII regions. I. Massive star populations and the upper end of the IMF

M. Pindao, D. Schaerer외 2명|ArXiv.org|2002. 08. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 41인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 태양 금속성 환경에서 금속 농도가 높은 은하외 HII 영역 85개에 대한 VLT FORS1 분광법 관측을 통해, 파란 WR 피크와 C IV λ5808 발광을 통해 27개에서 월프-레이트(WR) 성성을 확인하였고, 14개는 WC형 성성을 나타내었다. 이 연구는 태양 금속성 환경에서 상한 IMF 절단값에 대해 60–90 M⊙의 하한선을 도출하였으며, 고금속성 시스템에서 IMF의 연약화가 일어나지 않음을 시사하며, 금속성에 따른 M_up의 체계적 변화가 없다고 제기한다.

ABSTRACT

We have obtained high quality FORS1/VLT optical spectra of 85 disk HII regions several nearby spiral galaxies. Our sample of metal-rich HII regions with metallicities close to solar and higher reveal the presence of Wolf-Rayet (WR) stars in 27 objects from the blue WR bump and 15 additional candidate WR regions. This provides for the first time a large set of metal-rich WR regions. Approximately half of the WR regions also show broad CIV emission attributed to WR stars of the WC subtype (...). The WR regions show quite clear trends between their observed WR features and the Hbeta emission line. Detailed synthesis models are presented to understand/interpret these observations. (...) The availability of a fairly large sample of metal-rich WR regions allows us to improve existing estimates of the upper mass cut-off of the IMF in a robust way and independently of detailed modeling: from the observed maximum Hbeta equivalent width of the WR regions we derive a LOWER LIMIT for M_up of 60-90 Msun in the case of a Salpeter slope and larger values for steeper IMF slopes. From our direct probe of the massive star content we conclude that there is at present no evidence for systematic variations of the upper mass cut-off of the IMF in metal-rich environments, in contrast to some claims based on indirect nebular diagnostics. (abridged abstract)

연구 동기 및 목표

• 고해상도 VLT 분광법을 이용해 금속 농도가 높은 은하외 HII 영역의 거대 성성분을 직접 탐색하기.
• 간접적인 이완 기초 진단에 의해 주장된 바와는 달리, 고금속성 환경에서 초기 질량 함수(IMF)의 상한 질량 절단값이 변화하는지 테스트하기.
• 고금속성 시스템에서 WR 특징을 예측하는 진화 합성 모델의 신뢰성을 평가하기.
• 관측된 Hβ 등가폭의 최대값을 이용해 상한 IMF 절단값에 대한 제약을 향상시키기.
• 은하외 HII 영역에서 금속성에 따른 WR 특징 강도 및 WC/WN 비율의 추세를 조사하기.

제안 방법

• 근접한 나선파악성 은하(NGC 3351, 3521, 4254, 4303, 4321)의 85개 HII 영역에 대한 고신호대비비율 FORS1/VLT 광학 분광법 획득.
• 파란 WR 피크(~4680 Å)와 λ5808(C IV, 빨간색 WR 피크)에서 넓은 발광 특징을 통해 월프-레이트 성성 식별하며, C III λ5696 및 C IV λ5808 선 비율에 기반한 스펙트럼 분류.
• R23 진단법과 Kobulnicky 등(1999)의 캘리브레이션을 사용해 금속도 추정하며, 12개 영역에 대해 전자 온도는 [O II] λ7325로부터 유도.
• 최신 진화 합성 모델(Schaerer & Vacca 1998)의 예측과 관측된 WR 특징 강도(W(WR), I(WR)/I(Hβ)) 비교.
• 표준 Salpeter IMF 모델과 관측된 WR 특징 간 일치를 위해 WN 성성의 선 발광 제약 조건을 조정함으로써 모델 정밀화.
• 관측된 Hβ 등가폭의 최대값을 고려해, 모든 알려진 관측 효과가 W(Hβ)를 감소시키는 영향를 반영하여 상한 IMF 절단값(M_up)의 하한선 도출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 농도가 높은 HII 영역은 월프-레이트 성성을 포함하는가? 그리고 이러한 환경에서 WC형 성성의 빈도는 어떠한가?
• RQ2 고금속성 HII 영역에서 WR 특징 강도(W(WR), I(WR)/I(Hβ))와 Hβ 등가폭 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ3 표준 진화 합성 모델이 금속 농도가 높은 시스템에서 관측된 WR 특징을 얼마나 잘 예측하는가? 그리고 어떤 모델 보정이 필요한가?
• RQ4 직접적인 거대 성성 진단을 통해 고금속성 환경에서 IMF의 상한 질량 절단값(M_up)에 대해 어떤 제약를 둘 수 있는가?
• RQ5 간접적인 이완 기초 진단에 기반한 주장과는 달리, 금속성 증가에 따라 상한 IMF 절단값이 체계적으로 변화하는 증거가 있는가?

주요 결과

• 85개의 HII 영역 중 27개에서 ~4680 Å에서의 파란 WR 피크를 통해 명백한 월프-레이트 성성의 징후를 확인하였으며, 이 중 14개는 C IV λ5808 발광도 관측되어 WC형 성성을 나타낸다.
• 8개의 WR 영역에서 C III λ5696의 동시 관측은 평균 후기 WC 형식(WC7–WC8)을 식별할 수 있었으며, 고금속성에 대한 기대와 일치한다.
• 관측된 WR 특징 강도(W(WR) 및 I(WR)/I(Hβ))는 해당 금속성에서 표준 진화 합성 모델의 예측보다 체계적으로 낮다.
• 이 격차는 표준 Salpeter IMF 모델과 관측된 특징 간 일치를 위해 WN 성성의 선 발광 제약 조건을 개선함으로써 가장 잘 해결되며, 이후 관측된 특징은 Salpeter IMF가 고질량으로 연장된 것과 일치한다.
• WR 영역에서 관측된 Hβ 등가폭의 최대값을 바탕으로, Salpeter IMF 기울기의 경우 상한 IMF 절단값에 대해 60–90 M⊙의 하한선을 도출하였으며, 더 급격한 기울기의 경우 더 높은 값이 된다.
• 금속 농도가 높은 환경에서 상한 IMF 절단값에 대한 체계적 변화에 대한 직접적 증거는 없으며, 간접적인 이완 기초 진단에 기반한 주장과 모순된다.