[論文レビュー] FORS2/VLT survey of Milky Way globular clusters II. Fe and Mg abundances of 51 Milky Way globular clusters on a homogeneous scale

Bruno Dias, B. Barbuy+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 51被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、VLT/FORS2を用いたR ~ 2000の可視域分光法を用いて、銀河の球状星団51個の均一な鉄およびマグネシウムの元素比を提示している。-2.5 < [Fe/H] < 0.0の範囲で[Fe/H]の精度はσ ≈ 0.08 dexに達している。BH 176、Djorg 2、Pal 10、NGC 6426、Lynga 7、Terzan 8といった星団に対して、初めて一貫性があり高精度な金属量とα元素比が得られ、HP 1およびNGC 6558は、銀河で最も古い星団である強力な候補と特定された。

ABSTRACT

(ABRIDGED) Globular clusters trace the formation and evolution of the Milky Way and surrounding galaxies, and outline their chemical enrichment history. To accomplish these tasks it is important to have large samples of clusters with homogeneous data and analysis to derive kinematics, chemical abundances, ages and locations. We obtain homogeneous metallicities and alpha-element enhancement for over 800 red giant stars in 51 Galactic bulge, disc, and halo globular clusters that are among the most distant and/or highly reddened in the Galaxy's globular cluster system. We observed R ~ 2000 spectra in the wavelength interval 456-586 nm and applied full spectrum fitting technique. We compared the mean abundances of all clusters with previous work and with field stars. We used the relation between mean metallicity and horizontal branch morphology defined by all clusters to select outliers for discussion. We find our metallicities are comparable to those derived from high-resolution data to within sigma = 0.08 dex over the interval -2.5 &lt; [Fe/H] &lt; 0.0. We also find that the distribution of [Mg/Fe] and [alpha/Fe] with [Fe/H] for the 51 clusters follows the general trend exhibited by field stars. It is the first time that the following clusters have been included in a large sample of homogeneous stellar spectroscopic observations and metallicity derivation: BH 176, Djorg 2, Pal 10, NGC 6426, Lynga 7, and Terzan 8. In particular, only photometric metallicities were available previously for the first three clusters, and the available metallicity for NGC 6426 was based on integrated spectroscopy and photometry. Two other clusters, HP 1 and NGC 6558, are confirmed as candidates for the oldest globular clusters in the Milky Way. The technique used here can also be applied to globular cluster systems in nearby galaxies with current instruments and to distant galaxies with the advent of ELTs.

研究の動機と目的

• 大規模かつ代表的な銀河の球状星団サンプルに対して、均一な金属量およびα元素比を導出することにより、銀河の化学的進化の理解を深めること。
• 過去の研究で使用された異なる分光分解能、キャリブレーション手法、データソースに起因する不均一な金属量スケールの限界を克服すること。
• 従来、分光的データが不足していたり、光度測定値や統合光推定値に依存するにとどまっていた星団に対して、信頼性が高く一貫性のある元素比測定値を提供すること。
• 特に青い水平枝（HB）を示す異常な星団を特定・特徴づけること。これらは極めて古い年齢や異常な化学的性質を示す可能性がある。
• 低分解能（R ~ 2000）の可視域分光法が、球状星団の大規模な元素比調査において信頼できる手法であることを検証すること。

提案手法

• VLTのFORS2機器を用いて、51個の球状星団にまたがる800個以上の赤巨星に対して、456–586 nmの範囲でR ~ 2000の分光観測を実施。
• 観測スペクトルおよび合成スペクトルライブラリを用いた、全スペクトルフィッティング手法をETOILEコードに適用し、元素比分析を実施。
• 一貫した解析パイプラインと基準系を用いて、全星団において[Fe/H]、[Mg/Fe]、[α/Fe]を均一に導出。
• 径方向速度および大気パラメータのカットを用いて、星団メンバーの特定とサンプル純度の確保。
• 得られた金属量を高分解能データおよび既存の金属量スケールと比較し、正確性と一貫性を評価。
• 水平枝の形態を診断として用い、金属量に対して異常に青いHBを示すような異常な性質を示す星団を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な銀河の球状星団サンプルにおいて、低分解能（R ~ 2000）の可視域分光法から得られる鉄およびα元素比の整合性と正確性はどの程度か？
• RQ2 51個の球状星団の[Fe/H]、[Mg/Fe]、[α/Fe]が、場星や過去の研究と比較してどのように異なるか？
• RQ3 サンプル内のどの星団が異常な水平枝形態を示し、それらは年齢や化学的性質に関して何を示唆するか？
• RQ4 HP 1およびNGC 6558が、その元素比パターンとHB形態に基づいて、銀河で最も古い球状星団の候補と確認できるか？
• RQ5 本サンプルの元素比傾向は、特にバルジおよびハロー成分に関して、既存の銀河化学的進化モデルを支持するか、あるいは挑戦するか？

主な発見

• 導出された[Fe/H]値は、-2.5 < [Fe/H] < 0.0の範囲で、高分解能データとσ = 0.08 dex以内で一致しており、低分解能分光法の高い精度を示している。
• Carrettaら（2009）のスケールと共通する45個の星団についての比較では、分散がσ = 0.16 dexにとどまり、異なる金属量スケール間でも信頼性が確認された。
• BH 176、Djorg 2、Pal 10、NGC 6426、Lynga 7、Terzan 8は、本研究が初めて均一スケール上で分光的金属量を割り当てた星団であり、それまでは光度測定値や統合光推定値に依存していた。
• HP 1およびNGC 6558は、青い水平枝形態と金属量に基づき、銀河で最も古い球状星団の候補として確認された。
• 51個の星団の[Mg/Fe]および[α/Fe]の[Fe/H]依存性は、場星で見られる一般的な傾向に従っているが、分析における複数のα元素の平均化によって[α/Fe]にわずかな乖離が生じる可能性がある。
• [α/Fe]–[Fe/H]関係は、バルジの場星と一致しており、これらの星団が銀河バルジと同様に化学的に豊富な環境で形成された可能性を支持している。