[論文レビュー] The old and heavy bulge of M31 I. Kinematics and stellar populations

R. P. Saglia, M. Fabricius+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 23被引用数 60

ひとこと要約

本研究では、M31のバルジにおける新しい長スリット分光法の結果を提示し、従来のドップラー速度分散が最大50 km/s低く見積もられていたことが判明した。これにより、星族質量が再評価され、予測されたブラックホール質量と観測されたブラックホール質量の乖離が3倍から2倍に縮小された。バルジは均一に古く（≥12 Gyr）、金属量が多く、α元素で過剰であり、最近の星形成を引き起こした可能性のある小規模な合体が存在する。

ABSTRACT

We present new optical long-slit data along 6 position angles of the bulge region of M31. We derive accurate stellar and gas kinematics reaching 5 arcmin from the center, where the disk light contribution is always less than 30%, and out to 8 arcmin along the major axis, where the disk makes 55% of the total light. We show that the velocity dispersions of McElroy (1983) are severely underestimated (by up to 50 km/s) and previous dynamical models have underestimated the stellar mass of M31's bulge by a factor 2. Moreover, the light-weighted velocity dispersion of the galaxy grows to 166 km/s, thus reducing the discrepancy between the predicted and measured mass of the black hole at the center of M31. The kinematic position angle varies with distance, pointing to triaxiality. We detect gas counterrotation near the bulge minor axis. We measure eight emission-corrected Lick indices. They are approximately constant on circles. We derive the age, metallicity and alpha-element overabundance profiles. Except for the region in the inner arcsecs of the galaxy, the bulge of M31 is uniformly old (>12 Gyr, with many best-fit ages at the model grid limit of 15 Gyr), slightly alpha-elements overabundant ([alpha/Fe]~0.2) and at solar metallicity, in agreement with studies of the resolved stellar components. The predicted u-g, g-r and r-i Sloan color profiles match reasonably well the dust-corrected observations. The stellar populations have approximately radially constant mass-to-light ratios (M/L_R ~ 4-4.5 for a Kroupa IMF), in agreement with stellar dynamical estimates based on our new velocity dispersions. In the inner arcsecs the luminosity-weighted age drops to 4-8 Gyr, while the metallicity increases to above 3 times the solar value.

研究の動機と目的

• 新しい光学的長スリット分光法を用いて、M31バルジ領域における正確な星およびガスの運動学的特性を取得すること。
• 発光補正を施したLickインデックスと単純星族モデルを用いて、M31バルジの星族特性を再評価すること。
• 速度分散の報告不足を是正することで、動力学的質量推定値の乖離を是正すること。
• イオン化機構を評価するため、[OIII]/Hβおよび[NI]/Hβ発光ラインの等価幅に基づく診断図を用い、マイナス軸に沿って検出されたガスの反転回転の原因を解明すること。
• 今後のM31バルジおよびディスク成分における三重対称性とマイクロレンズ効率の動力学的モデリングの基盤を築くこと。

提案手法

• M31バルジに沿って6つの位置角に沿って新しい光学的長スリット分光データを取得し、主軸に沿って最大8 arcminまで延長した。
• 発光補正を施したLickインデックス（例：Hβ、Fe5270）を測定し、単純星族モデルを用いて年齢、金属量、[α/Fe]のプロファイルを導出。
• 速度分散の測定値を用いて、バーリング定理と動力学的質量推定式を適用し、従来の星族質量推定値の低く見積もられていた点を是正。
• [OIII]/Hβおよび[NI]/Hβ発光ラインの等価幅に基づく診断図を用い、ガスのイオン化機構を評価。
• 古く（old）および若い（young）成分の複合星族モデルを用いて、最近の星形成イベントの質量と年齢を制約。
• Kroupa初期質量関数を用いて質量光度比（M/L_R）を校正し、動力学的推定値と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい速度分散測定値は、従来の研究と比較して、M31バルジの推定星族質量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 M31バルジの空間的に分解された星族特性（年齢、金属量、[α/Fe]）は何か？また、半径に応じてどのように変化するか？
• RQ3 マイナス軸に沿って検出された反転回転ガスの起源は何か？これは最近の銀河的相互作用に何を示唆するか？
• RQ4 内側1 arcsecondに観測された若年星族は、最近の小規模合体イベントによってどの程度説明可能か？
• RQ5 予測されたSloanフィルターカラーデータと観測されたチリ補正カラーデータの間にはどのような差異があるか？これは現在の単純星族モデルに何を示唆するか？

主な発見

• McElroy (1983)の速度分散は最大50 km/s低く見積もられていたため、バルジの星族質量が2倍低く見積もられていた。
• 回転を含めた光重み付き速度分散は166–170 km/sに上昇し、予測されたブラックホール質量と測定されたブラックホール質量の乖離が3倍から2倍に縮小された。
• バルジは均一に古く（≥12 Gyr、最適適合年齢は15 Gyr）、わずかにα元素で過剰（[α/Fe] ≈ 0.2）、太陽金属量（solar metallicity）であるが、内側1 arcsecondを除いてはそうである。
• 内側1 arcsecondでは、光重み付き年齢が4–8 Gyrに低下し、金属量が太陽の3倍以上に達しており、これは最近の星形成イベントを示唆している。
• 主軸に沿って6 arcminを超える領域では、平均年齢が≤8 Gyr、わずかに太陽超過の金属量（+0.1 dex）、[α/Fe] ≈ +0.2 dex、M/L_R ≤ 3 M☉/L☉である。
• 診断図から、中心付近ではガスのイオン化が衝撃支配からAGN様にシフトしていることが示され、核活動および星形成を引き起こした最近の小規模合体シナリオを支持する。