[論文レビュー] Evolution of planetary nebulae II. Population effects on the bright cut-off of the PNLF

Paola Marigo, L. Girardi+3 more|ArXiv.org|Apr 20, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 51被引用数 47

ひとこと要約

本研究は、星形成の最後のバーストからの年齢依存性を考慮したモンテカルロシミュレーションとCLOUDY光電離モデルを組み合わせて、惑星状星雲の明るさ関数（PNLF）のカットオフマグニチュード $M^*$ の理論的起源を調査する。その結果、$M^*$ は星形成バーストの年齢に強く依存し、若年から100億年経った星団では最大5等級の明るさの減少を示すことが判明した。これは、PNLFを標準キャンドルとして用いる長年の仮定である年齢不変性に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

We investigate the bright cut-off of the [OIII]l5007 planetary nebula luminosity function (PNLF), that has been suggested as a powerful extragalactic distance indicator. Theoretical PNLFs are constructed via Monte-Carlo simulations of populations of PNe, whose individual properties are described with the aid of recent PN synthetic models (Marigo et al. 2001), coupled to a detailed photoionisation code (CLOUDY). The basic dependences of the cut-off magnitude M* are then discussed. We find that: (i) In galaxies with recent or ongoing star formation, the modelled PNLF present M* values between -4 and -5, very close to the observationally-calibrated value for the LMC. (ii) In these galaxies, the PNLF cut-off is produced by PNe with progenitor masses of about 2.5 Msun, while less massive stars give origin to fainter PNe. As a consequence M* is expected to depend strongly on the age of the last burst of star formation, dimming by as much as 5 mag as we go from young to 10-Gyr old populations. (iii) Rather than on the initial metallicity of a stellar population, M* depends on the actual [O/H] of the observed PNe, a quantity that may differ significantly from the initial value (due to dredge-up episodes), especially in young and intermediate-age PN populations. (iv) Also the transition time from the end of AGB to the PN phase, and the nuclear-burning properties (i.e. H- or He-burning) of the central stars introduce non-negligible effects on M*. The strongest indication derived from the present calculations is a serious difficulty to explain the age-invariance of the cut-off brightness over an extended interval, say from 1 to 13 Gyr, that observations of PNLFs in galaxies of late-to-early type seem to suggest.

研究の動機と目的

• 惑星状星雲明るさ関数（PNLF）の明るいカットオフの理論的起源を解明すること、特にさまざまな銀河集団においてその一定性が示唆されていることの背景を明らかにすること。
• 異なる年齢と金属量の銀河において観測された $M^*$ の不変性が、現在の星間および星雲進化モデルによって理論的に裏付けられているかどうかを評価すること。
• PNLFカットオフマグニチュードを支配する主要な物理的パラメータ（例えば、母星質量、遷移時間、中心星の燃焼段階）を特定すること。
• 星団依存の効果を考慮すると、PNLFが赤外銀河距離測定の標準キャンドルとして信頼できるかを評価すること。
• 後AGB進化、金属量の進化、およびイオン化構造の役割を分析することで、観測されたPNLFデータと理論的モデルを一致させること。

提案手法

• 星団合成モデルに基づいて、合成された惑星状星雲（PNe）の集団を生成するためのモンテカルロシミュレーションを採用した。
• 各シミュレートされたPNに対して、CLOUDY光電離コードを用いてイオン化構造と発光線フラックス（特に [O III] $\lambda 5007$）を計算した。
• 質量損失と核合成効果を含めた、主系列からAGB段階およびその後の後AGB段階にかけての母星の進化を追跡した。
• 星形成歴（SFH）、初期質量関数（IMF）、AGB段階からPN段階への遷移時間（$t_{\rm tr}$）、中心星の燃焼モード（H燃焼対比してHe燃焼）といった主要パラメータを変化させた。
• 各合成星団についてPNLFの形状を計算し、カットオフマグニチュード $M^*$ を抽出することで、年齢、金属量、進化時間スケールに依存するその依存性を評価した。
• LMC や楕円銀河における観測されたPNLFと比較し、モデル予測が観測された $M^* \approx -4.47$ と整合するかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる年齢と金属量の銀河において観測されたPNLFの明るいカットオフマグニチュード $M^*$ の不変性の理論的起源は何か？
• RQ2 最近の星形成バーストの年齢が、最も明るいPNeの明るさ、ひいては $M^*$ の値にどのように影響を与えるか？
• RQ3 AGB段階でのドリュープアッププロセスによって形成される実際の [O/H] は、初期金属量とはどの程度異なるのか？ そしてその差が $M^*$ にどのように影響を与えるか？
• RQ4 AGB段階からPN段階への遷移時間 $t_{\rm tr}$ は $M^*$ にどの程度感度が高く、観測されたPNの性質と一致させるためにその時間は制約可能か？
• RQ5 古く静止した銀河において観測された $M^*$ の一定性は、現在の星および星雲進化モデルで説明可能か？ もしくは、新しい物理学の導入が必要か？

主な発見

• 最近の星形成が続く銀河では、モデル化されたPNLFカットオフマグニチュード $M^*$ は $-4$ から $-5$ の範囲にあり、LMCの観測値 $-4.47$ と整合的である。
• PNLFカットオフは主に約 $2.5\,M_\odot$ の母星質量を持つPNeによって生成され、星団の年齢が若年から100億年へと増加するにつれて $M^*$ は最大5等級明るさが減少する。
• カットオフマグニチュード $M^*$ は、初期星団の金属量よりも、AGB段階でのドリュープアップによって形成された実際の星雲の [O/H] に強く依存する。
• AGB段階からPN段階への遷移時間 $t_{\rm tr}$ は $M^*$ に顕著な影響を与え、観測されたカットオフ明るさを再現するには $500-1000$ 年の時間が必要である。
• 星形成が最近ない静止した古星団では、モデルは観測値よりもはるかに暗いカットオフを予測する。これは、PNLFにおける年齢不変性の仮定に疑問を呈する。
• 異なるタイプの銀河において $M^*$ が一定であるという観測的事実を、現在のモデルで説明できるのは、最近の星形成が存在する場合に限る。これは、古銀河における観測された $M^*$ が例外的であるのではなく、一般的な法則ではない可能性を示唆している。