[論文レビュー] MUSE crowded field 3D spectroscopy of over 12,000 stars in the globular cluster NGC 6397 - I. The first comprehensive spectroscopic HRD of a globular cluster

Tim-Oliver Husser, Sebastian Kamann+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 55被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、MUSE統合場分光法を用いて得られた、NGC 6397の12,307顆星からなる18,932本の中分解能分光スペクトルを用いて、最初の包括的な分光的ヘルツシュプル図（HRD）を構築した。PSFの分解とPHOENIXモデルグリッド上の全スペクトルフィッティングを組み合わせることで、径速度、金属量、効果的温度、表面重力が導出され、平均 [Fe/H] = -2.120 ± 0.002 および赤色巨星巨星分岐帯における温度依存の金属量傾向が明らかになった。

ABSTRACT

Aims. We demonstrate the high multiplex advantage of crowded field 3D spectroscopy using the new integral field spectrograph MUSE by means of a spectroscopic analysis of more than 12,000 individual stars in the globular cluster NGC 6397. Methods. The stars are deblended with a PSF fitting technique, using a photometric reference catalogue from HST as prior, including relative positions and brightnesses. This catalogue is also used for a first analysis of the extracted spectra, followed by an automatic in-depth analysis using a full-spectrum fitting method based on a large grid of PHOENIX spectra. Results. With 18,932 spectra from 12,307 stars in NGC 6397 we have analysed the largest sample so far available for a single globular cluster. We derived a mean radial velocity of vrad=17.84+-0.07 km/s and a mean metallicity of [Fe/H]=-2.120+-0.002, with the latter seemingly varying with temperature for stars on the RGB. We determine T_eff and [Fe/H] from the spectra, and log g from HST photometry. This is the first very comprehensive HRD for a globular cluster based on the analysis of several thousands of stellar spectra, ranging from the main sequence to the tip of the RGB. Furthermore, two interesting objects were identified with one being a post-AGB star and the other a possible millisecond-pulsar companion.

研究の動機と目的

• 中分解能の統合場分光法を用いて、球状星団における最初の完全な分光的ヘルツシュプル図（HRD）を構築すること。
• 密集領域における従来の分光法の限界を克服し、混在光から個々の星の分光スペクトルを抽出できることを実証すること。
• 主系列から赤色巨星巨星分岐点までの全色-等級関係範囲にわたる、数千顆星の大気パラメータ（Teff、[Fe/H]、log g）および径速度を導出すること。
• 赤色巨星巨星分岐帯星における元素比傾向、特に効果的温度に伴う金属量変動を調査すること。
• 高密度な星団環境において、後期A型巨星（post-AGB）星やミリ秒パulsarの伴星など、希少または異常な星の対象を同定すること。

提案手法

• VLTに搭載されたMUSE、すなわち中分解能の統合場分光計を用い、NGC 6397の3次元分光スペクトルデータキューブを取得した。スペクトル分解能はR ~ 3,000であった。
• 高精度なHST写真測光標準カタログを用いたPSFの分解を適用し、混在光から個々の星の分光スペクトルを分離した。
• PHOENIXモデルスペクトルの大規模グリッドを用いた全スペクトルフィッティングにより、効果的温度（Teff）、金属量（[Fe/H]）、表面重力（log g）を導出した。
• 観測スペクトルと合成テンプレートとの相互相関を用いて径速度を決定し、平均値は17.84 ± 0.07 km s⁻¹を達成した。
• スペクトル分解能の制限により重力診断が困難なため、表面重力（log g）はHST写真測光を用いて導出した。
• 自動化された解析パイプラインを用いて、12,307顆星から得られた18,000本を超えるスペクトルを処理した。そのうち、S/N ≥ 20 のスペクトルは3,870本であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密集領域における中分解能の統合場分光法が、球状星団内の数千顆星の個々の星の分光的パラメータおよび径速度を導出可能かどうか。
• RQ2 NGC 6397の赤色巨星巨星分岐帯において、金属量の分布およびその効果的温度に伴う変動はいかなるものか。
• RQ3 NGC 6397の星々の運動学的および分光的性質が、高分解能研究と比較して、特に径速度および金属量分散の観点でどのように異なるか。
• RQ4 大規模で統計的に完全なサンプルにおいて、後期A型巨星（post-AGB）星やミリ秒パulsarの伴星といった希少星対象を同定できるか。
• RQ5 高密度な星形成環境において、中分解能データに対する全スペクトルフィッティングが、高分解能分光法の結果をどの程度再現できるか。

主な発見

• 本研究は、NGC 6397の12,307顆星から得られた18,932本のスペクトルを基に、球状星団における最初の包括的分光的ヘルツシュプル図（HRD）を提示した。
• クラスタの平均径速度は17.84 ± 0.07 km s⁻¹と決定され、従来の運動学的研究と整合的であった。
• 平均金属量は [Fe/H] = -2.120 ± 0.002 であり、赤色巨星巨星分岐帯において効果的温度が上昇するに従い金属量が増加する傾向が示された。
• S/N ≥ 20 の3,870顆星に対して、分光的にTeffおよび[Fe/H]が導出されたが、スペクトル分解能の制限のため表面重力（log g）は写真測光によって導出した。
• 2つの希少な対象が同定された：1例は確認済みのpost-AGB星、もう1例はミリ秒パulsarの伴星候補であり、広視野分光法による偶然発見の可能性を示した。
• 個々のS/Nが低いにもかかわらず、スペクトルの総数が多く、複数の露光を合成することで、統計的サンプルにおいて高分解能分光法と同等の精度を達成した。