[論文レビュー] New Surface Brightness Fluctuations Spectroscopic Technique: NGC4449 and its Stellar Tidal Stream

Elisa Toloba, Puragra Guhathakurta+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 70被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ローカル団銀の外にある低表面ねらい度の銀河や星の流れを対象とし、赤巨星分岐点の上での表面輝度揺動を用いた新しい分光法を提案する。この手法により、ローカル団銀外の低表面ねらい度銀河および星の流れの径方向速度と金属量を測定できる。380万光年の距離にあるNGC 4449とその潮汐流れに適用した結果、太陽系における径方向速度が類似（227.3 ± 10.7 km s⁻¹ および 225.8 ± 16.0 km s⁻¹）しており、流れの金属量は [Fe/H] = −1.37 ± 0.41 と、ローカル団銀の矮星関係と整合的であることが判明した。

ABSTRACT

We present a new spectroscopic technique based in part on targeting the upward fluctuations of the surface brightness for studying the internal stellar kinematics and metallicities of low surface brightness galaxies and streams beyond the Local Group. The distance to these systems makes them unsuitable for targeting individual red giant branch (RGB) stars (tip of RGB at $I\gtrsim24$~mag) and their surface brightness is too low ($μ_r\gtrsim 25$~mag~arcsec$^{-2}$) for integrated light spectroscopic measurements. This technique overcomes these two problems by targeting individual objects that are brighter than the tip of the RGB. We apply this technique to the star-forming dwarf galaxy NGC 4449 and its stellar stream. We use Keck/DEIMOS data to measure the line-of-sight radial velocity out to $\sim7$~kpc in the East side of the galaxy and $\sim8$~kpc along the stream. We find that the two systems are likely gravitationally bound to each other and have heliocentric radial velocities of $227.3\pm10.7$~km/s and $225.8\pm16.0$~km/s, respectively. Neither the stream nor the near half of the galaxy shows a significant velocity gradient. We estimate the stellar metallicity of the stream based on the equivalent width of its Calcium triplet lines and find [Fe/H]~$=-1.37\pm0.41$, which is consistent with the metallicity-luminosity relation for Local Group dwarf galaxies. Whether the stream's progenitor was moderately or severely stripped cannot be constrained with this metallicity uncertainty. We demonstrate that this new technique can be used to measure the kinematics and (possibly) the metallicity of the numerous faint satellites and stellar streams in the halos of nearby ($\sim 4$~Mpc) galaxies.

研究の動機と目的

• 個々の星が分光法に不適切なほど暗く、かつ表面ねらい度が低いことから、従来の統合光法が不適切となるローカル団銀を超えた低表面ねらい度銀河および星の流れを研究する課題に対処する。
• 従来の解像星分光法および統合光分光法の限界を乗り越えるために、赤巨星分岐点の上にある明るい揺動源を標的にする。
• ローカル宇宙における矮星衛星や潮汐流れのような明るさの弱い拡散的システムの運動学および金属量測定を可能にする。
• ローカル団銀のハローにおける構造を研究することで、ΛCDM宇宙論を検証する道筋を提供し、欠落衛星問題のような矛盾を解消する。
• NGC 4449とその星の流れに対して、この手法の実用性を示し、将来的な同様のシステム研究のテンプレートを提供する。

提案手法

• 赤巨星分岐点より明るい個々の星（I ≳ 23.5 mag）を標的にし、空間的クラスタリングまたは進化した星による表面輝度揺動として現れる。
• Keck/DEIMOSを用いて、これらの揺動源の高分解能分光を取得し、視線方向の径方向速度を測定する。
• 揺動源の個々のスペクトルを重ね合わせて統合光に類似した性質を導出し、カルシウム三重線（CaT）の等価幅を用いて金属量推定を行う。
• CaT等価幅の経験的キャリブレーションを用いて [Fe/H] 金属量を推定し、中間年齢のAGB星の寄与が最小限であると仮定する。
• 重力的結合性を評価するために、銀河と流れの間で径方向速度プロファイルおよび中央値速度を比較する。
• Subaru望遠鏡の画像データを用いて、標的システムの空間的広がりと表面輝度を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の手法に限界があるローカル団銀を超えた低表面ねらい度銀河および潮汐流れを研究するため、新しい分光法がその限界を乗り越えられるか？
• RQ2 径方向速度の一貫性から、星の流れと銀河NGC 4449は重力的に結合していると見なせるか？
• RQ3 星の流れの金属量は何か？ また、ローカル団銀の矮星における金属量-光度関係と比較するとどうなるか？
• RQ4 個々の星が暗すぎて分光法が不適切であり、かつ統合光が不十分なシステムにおいて、この手法が運動学および金属量を信頼性高く測定できるか？
• RQ5 測定された金属量は、流れの起源となった天体の質量および剥ぎ取り歴史にどのような制約を課えるか？

主な発見

• NGC 4449の東側の径方向速度は 227.3 ± 10.7 km s⁻¹、流れの速度は 225.8 ± 16.0 km s⁻¹ であり、両者が重力的に結合している可能性が高いことが示された。
• 銀河および流れに沿って顕著な速度勾配は検出されず、動的になだらかまたはゆっくりと進化するシステムであると考えられる。
• 星の流れの金属量は [Fe/H] = −1.37 ± 0.41 であり、ローカル団銀の矮星で観測された金属量-光度関係と整合的である。
• 金属量の大きな不確実性のため、流れの起源となった天体が典型的なローカル団銀の矮星か、より質量が大きく重度に剥ぎ取られたシステムかを明確に制約することはできない。
• 従来の解像星分光法が不適切で、統合光も不十分な380万光年の距離にあるシステムにおいて、この手法が径方向速度および金属量を的確に測定できた。
• この手法は、PISCeS調査やM81グループに属するような近傍銀河の明るさの弱い衛星や流れにも適用可能であり、将来的な動力学的および化学的モデリングを可能にする。