[논문 리뷰] VLT Spectroscopy of Globular Cluster Systems, II. Spectroscopic Ages, Metallicities, and [alpha/Fe] Ratios of Globular Clusters in Early-Type Galaxies

Thomas H. Puzia, M. Kissler‐Patig외 6명|ArXiv.org|2005. 05. 20.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 1인용 수 91

한 줄 요약

이 연구는 초기형은하의 구형성단에 대해 VLT 분광법 및 Lick 지표 측정을 이용하여 연령, 금속성 및 [α/Fe] 비율을 유도한다. 약 2/3가 100억 년 이상 되었으며, 평균 [α/Fe]는 0.47 ± 0.06 dex로 나타나 단일 붕괴 이론에 부합하는 빠른 형성 timescale을 시사하며, [α/Fe]와 금속성 간의 음의 상관관계를 발견하여 금속성 높은 성단의 형성 timescale이 짧음을 시사한다.

ABSTRACT

An analysis of ages, metallicities, and [alpha/Fe] ratios of globular cluster systems in early-type galaxies is presented, based on Lick index measurements summarized in Puzia et al. (2004, Paper I of this series). In the light of calibration and measurement uncertainties, age-metallicity degeneracy, and the relative dynamic range of Lick indices, as well as systematics introduced by abundance ratio variations (in particular variations of [alpha/Fe] ratios), we find that the most reliable age indicator for our dataset is a combination of the Lick Balmer-line indices HgammaA, Hbeta, and HdeltaA. [MgFe]' is used as a spectroscopic metallicity indicator which is least affected by [alpha/Fe] variations. We introduce an interpolation routine to simultaneously derive ages, metallicities, and [alpha/Fe] ratios from diagnostic grids constructed from Lick indices. From a comparison of high-quality data with SSP model predictions, we find that ~2/3 of the globular clusters in early-type galaxies are older than 10 Gyr, up to 1/3 have ages in the range ~5-10 Gyr, and only a few cluster are younger than ~5 Gyr. Our sample of globular clusters covers metallicities from [Z/H] = -1.3 up to ~0.5 dex. We find that metal-rich globular clusters show on average a smaller mean age and a larger age scatter than their metal-poor counterparts. [alpha/Fe] diagnostic plots show that globular cluster systems in early-type galaxies have super-solar alpha/Fe abundance ratios with a mean [alpha/Fe] = 0.47+/-0.06 dex and a dispersion of about 0.3 dex. We find evidence for a correlation between [alpha/Fe] and metallicity, in the sense that more metal-rich clusters exhibit lower alpha-element enhancements. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 고해상도 VLT 데이터를 이용해 초기형은하의 구형성단 시스템의 분광학적 연령, 금속성 및 [α/Fe] 비율을 결정하기 위해.
• 다양한 Lick 지표를 활용하고 구성비 체계적 오차를 고려함으로써 별집단 합성 모델에서의 연령-금속성 딜레마를 해결하기 위해.
• 구형성단 시스템이 은하 형성의 단일 붕괴 모델인지 계층적 융합 모델인지 테스트하기 위해.
• [α/Fe]가 금속성과 연령에 어떻게 의존하는지 정량화하여 형성 timescale과 화학적 풍화 역사를 유추하기 위해.
• Lick 지표 기반 연령 및 금속성 추정의 신뢰성을 SSP 모델과 데이터 품질 지표에 기반해 검증하기 위해.

제안 방법

• 초기형은하의 구형성단에 대한 고신호대비잡음비 VLT 스펙트럼으로부터 Lick 지표 값(Hβ, HγA, HδA, [MgFe]′)을 측정하였다.
• 별집단 합성 모델 기반 진단 그리드에서 동시에 연령, 금속성 [Z/H], [α/Fe]를 유도하기 위해 새로운 보간 절차를 도입하였다.
• 고품질 데이터를 사용해 방법을 校정하고, 수평가지 형태 및 지표 측정 오차에서 기인하는 체계적 오차를 평가하였다.
• 관측된 Lick 지표를 단일 별집단(SSP) 모델의 예측과 비교하여 연령과 금속성을 유도하였으며, [MgFe]′은 [α/Fe] 변화에 강건한 금속성 지표로 사용되었다.
• Balmer 지표의 산란과 SSP 모델과 일치하지 않는 이질적 관측치를 분석함으로써 데이터 품질의 영향을 평가하였다.
• 스펙트로스코픽 결과를 검증하기 위해 분광학적으로 유도된 연령과 금속성으로부터 예측된 SSP 색상과 관측된 광학적 색상을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VLT 데이터 기반으로 초기형은하의 구형성단의 분광학적 연령, 금속성 및 [α/Fe] 비율은 무엇인가?
• RQ2 연령-금속성 딜레마와 [α/Fe] 변화는 Lick 지표로부터 유도된 연령 및 금속성 추정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 구형성단 시스템에서 [α/Fe]와 금속성 간에 상관관계가 존재하는가? 이는 형성 timescale에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 유도된 연령과 구성비 비율은 은하 형성의 단일 붕괴 모델인지 계층적 융합 모델을 지지하는가?
• RQ5 수평가지 형태 및 데이터 품질에 기인한 오차는 연령 및 금속성 추정의 신뢰성에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기형은하의 구형성단 약 2/3가 100억 년 이상 되었으며, 최대 1/3은 5에서 100억 년 사이의 연령을 가지며, 50억 년 미만의 연령은 몇 개뿐이었다.
• 평균 [α/Fe] 비율은 0.47 ± 0.06 dex이며, 분산은 약 0.3 dex로 나타나 형성 timescale이 약 10억 년 이내로 짧았음을 시사하며, 이는 주로 초신성 II형에 의한 우세한 금속화를 반영한다.
• 중요한 음의 상관관계가 [α/Fe]와 금속성 간에 발견되었으며, 금속성 높은 성단은 α 원소 강화가 낮아, 높은 금속성 집단의 형성 timescale이 짧음을 시사한다.
• 금속성 높은 하위표본은 나이 산란도 3.5 Gyr로 높고 평균 연령이 낮은 반면, 금속성 낮은 하위표본은 나이 산란도 0.5 Gyr로 낮아, 나이-금속성 관계가 존재함을 시사한다.
• 관측된 광학적 색상은 분광학적으로 유도된 연령과 금속성으로부터 계산된 SSP 색상과 양호한 일치를 보이며, 방법의 타당성을 검증한다.
• 저품질 데이터는 Balmer 지표의 산란이 증가하며, SSP 모델 예측 이하의 극단적 낮은 Balmer 지표 값은 고품질 데이터에서는 사라지며, 이는 저품질 관측치에서 체계적 편향이 있음을 시사한다.