[논문 리뷰] Young Star Cluster Complexes in NGC 4038/39: Integral field spectroscopy using VIMOS-VLT

N. Bastian, Éric Emsellem외 2명|ArXiv.org|2005. 09. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 42인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 VIMOS-VLT를 사용한 적분장 스펙트로스코피를 통해 Antennae 은하(NGC 4038/39)의 젊은 성간 별 군집 복합체를 분석하여 연령, 금속성, 투명도 및 별 형성률을 도출한다. 강한 월프-레이테르 특징을 보이는 다섯 복합체는 3–5 Myr의 연령을 나타내며, 느린 이온화 기체 확장(20–40 km/s)을 확인하고, 지역적 별폭발로 분류되며, 별폭발 은하와 유사한 면적 정규화 별 형성률을 가진다.

ABSTRACT

We present the first results of a survey to obtain Integral Field Spectroscopy of merging galaxies along the Toomre Sequence. In the present work, we concentrate on the star cluster complexes in the Antennae galaxies (NGC 4038/39) in the overlap region as well as the nuclear region of NGC 4038. Using optical spectroscopy we derive the extinction age, metallicity, velocity, velocity dispersion of the gas and star formation rate for each of the eight complexes detected. We supplement this study with archival HST-WFPC2 U, B, V, H$α$, and I band imaging. Correcting the observed colours of the star clusters within the complexes for extinction, measured through our optical spectra, we compare the clusters with simple stellar population models, with which we find an excellent agreement. In five of the complexes we detect strong Wolf-Rayet emission features, indicating young ages (3-5 Myr). The ionized gas surrounding the complexes is expanding at speeds of 20-40 km/s. This slow expansion can be understood as a bubble, caused by the stellar winds and supernovae within the complexes, expanding into the remnant of the progenitor giant molecular cloud. We also find that the complexes themselves are grouped, at about the largest scale of which young star clusters are correlated, representing the largest coherent star forming region. We show that the area normalized star formation rates of these complexes clearly place them in the regime of star forming regions in starburst galaxies, thereby justifying the label of localized starbursts. Finally, we estimate the stability of the complexes, and find that they will probably loose a large fraction of their mass to the surrounding environment, although the central regions may merge into a single large star cluster.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 합쳐지는 Antennae 은하(NGC 4038/39)의 젊은 성간 별 군집 복합체의 물리적 성질을 조사한다.
• 단순 별집단 모델(SSP)과의 비교를 통해 이러한 복합체의 연령, 금속성, 투명도 및 별 형성률을 결정한다.
• 복합체의 역학적 안정성과 진화적 운명을 평가하며, 군집 융합 및 질량 손실 여부를 포함한다.
• 복합체가 계층적 별 형성의 더 넓은 맥락에서 수행하는 역할과 별폭발 영역과의 유사성을 이해한다.

제안 방법

• NGC 4038/39의 여덟 개 성간 별 군집 복합체에 대해 VIMOS-VLT 장치를 사용하여 공간적으로 해상도가 높은 광학 스펙트럼을 확보한다.
• PPXF 기법을 사용하여 스펙트럼의 별집단 피팅을 위해 발광선(Hβ, O[III])에서 투명도, 기체 속도, 속도 분산 및 금속성을 측정한다.
• 유도된 A_V 값으로 관측된 군집 등급을 보정하고, 이를 단순 별집단(SSP) 모델과 비교하여 연령과 질량을 추정한다.
• 각 복합체의 별 형성률(SFR)을 Hβ 발광선 강도를 사용하여 추정하고, 면적에 따라 정규화하여 별폭발 특성을 평가한다.
• 기존의 HST-WFPC2 U, B, V, Hα 및 I-대역 이미징 자료를 결합하여 F555W 및 Hα 필터에서 군집 등급과 크기를 유도한다.
• 은하의 속도 프로파일에서 추정된 tidal 반경과 복합체 크기를 비교하여 역학적 안정성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 4038/39의 젊은 성간 별 군집 복합체의 연령, 금속성 및 투명도는 무엇이며, SSP 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 복합체 주변의 이온화 기체 운동학(속도 및 분산)은 무엇이며, 이는 그들의 피드백 메커니즘을 어떻게 드러내는가?
• RQ3 복합체의 면적 정규화 별 형성률은 별폭발 은하의 것과 어떻게 비교되며, 지역적 별폭발로 간주할 수 있는가?
• RQ4 복합체의 역학적 안정성은 어떠한가? 질량을 유지할 것인지, 주변 간성물질에 질량을 잃을 것인가?
• RQ5 복합체는 계층적 별 형성의 증거를 어느 정도 보이며, 내부 군집 융합이 거대 군집 형성으로 이어질 수 있는가?

주요 결과

• 여덟 복합체 중 다섯은 강한 월프-레이테르 발광 특징을 보이며, 3–5 Myr의 젊은 연령을 나타내며, 가장 정밀한 추정치는 3.5에서 5.5 Myr 사이이다.
• 복합체 주변의 이온화 기체는 20–40 km/s 속도로 팽창하고 있으며, 거대 분자구름 잔여물 속으로 확장되는 바람 또는 초신성에 의해 구동되는 기포와 일치한다.
• 복합체의 면적 정규화 별 형성률은 0.2에서 1.4 M⊙/yr/kpc² 사이이며, 별폭발 은하의 범주에 명확히 속하며 '지역적 별폭발'이라는 명칭을 정당화한다.
• 필드 1의 복합체들은 추정된 tidal 반경과 크기가 유사하거나 더 크며, 이는 안정성이 떨어지고 주변 ISM로 질량의 상당 부분을 잃을 가능성이 있음을 시사한다.
• 질량 손실에도 불구하고, 복합체의 중심 영역는 충분히 밀도가 높아 내부 군집 융합이 일어날 수 있으며, 시간이 지남에 따라 거대 중심 군집 형성으로 이어질 수 있다.
• 각 복합체에서 가장 밝은 군집은 투명도 보정 후 태양 금속성의 SSP 모델과 일치하며, 광학 및 스펙트로스코피로부터 유도된 연령과 질량 추정의 신뢰성을 뒷받침한다.