[論文レビュー] The photometric evolution of dissolving star clusters: II. Realistic models. Colours and M/L ratios

Peter Anders, H. J. G. L. M. Lamers+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 79被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、潮汐場における動的質量分離と低質量星の優先的損失によって引き起こされる現実的で時間に依存する質量関数の進化を組み込んだ、進化合成モデルの新世代を提示する。N体シミュレーションの結果をGALEV合成コードに統合することで、モデルはクラスタの色が時間とともに次第に赤くなり、明るさが低下することを示しており、質量対光度比（M/L比）は標準モデルから最大4倍のずれを示す。その結果、光度的年齢推定において20–200%の年齢過大評価が生じる。

ABSTRACT

Evolutionary synthesis models are the prime method to construct models of stellar populations, and to derive physical parameters from observations. One of the assumptions for such models so far has been the time-independence of the stellar mass function. However, dynamical simulations of star clusters in tidal fields have shown the mass function to change due to the preferential removal of low-mass stars from clusters. Here we combine the results from dynamical simulations of star clusters in tidal fields with our evolutionary synthesis code GALEV to extend the models by a new dimension: the total cluster disruption time. We reanalyse the mass function evolution found in N-body simulations of star clusters in tidal fields, parametrise it as a function of age and total cluster disruption time and use this parametrisation to compute GALEV models as a function of age, metallicity and the total cluster disruption time. We study the impact of cluster dissolution on the colour (generally, they become redder) and magnitude (they become fainter) evolution of star clusters, their mass-to-light ratios (off by a factor of ~2 -- 4 from standard predictions), and quantify the effect on the cluster age determination from integrated photometry (in most cases, clusters appear to be older than they are, between 20 and 200%). By comparing our model results with observed M/L ratios for old compact objects in the mass range 10^4.5 -- 10^8 Msun, we find a strong discrepancy for objects more massive than 10^7 Msun (higher M/L). This could be either caused by differences in the underlying stellar mass function or be an indication for the presence of dark matter in these objects. Less massive objects are well represented by the models. The models for a range of total cluster disruption times are available online. (shortened)

研究の動機と目的

• 標準の進化合成モデルが時間経過に伴い固定された初期質量関数（IMF）を仮定しているという限界に対処すること。これは、既知の潮汐場における動的質量分離と低質量星の優先的損失とは相反する。
• 潮汐場における動的進化に起因する時間に依存する質量関数が、色、明るさ、質量対光度比（M/L比）といった統合的光度的性質に与える影響を定量化すること。
• 合成モデルに現実的なクラスタ崩壊プロセスを組み込むことで、統合的光度測定からの年齢および質量推定値の改善を図ること。
• 特に10^7 M⊙を超える質量の古い高密度コンパクト天体において、観測されたM/L比がモデル予測を上回るという、観測と予測の不一致を解消すること。

提案手法

• 潮汐場における星団のN体シミュレーションから得られた質量関数勾配の時間的進化のパラメータ化を導出し、クラスタの年齢と全破壊時間の関数として表現した。
• 時間に依存する質量関数のパラメータ化をGALEV進化合成コードに統合し、金属量および破壊時間のさまざまな組み合わせにおいて合成的光度測定を計算した。
• 得られたモデルを用いて、さまざまな進化段階にある星団の統合色、明るさ、およびM/L比を計算した。
• 観測されたM/L比（質量範囲10^4.5–10^8 M⊙の古いコンパクト天体）とモデル予測を比較し、モデルの妥当性を検証した。
• フィルターセットの選択が年齢推定バイアスに与える影響を評価し、特に近赤外フィルターの感度に注目した。
• コミュニティ利用を目的として、全モデルスイートをhttp://www.phys.uu.nl/~anders/data/SSP_varMF/およびhttp://data.galev.orgに公開した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的質量分離に起因する時間に依存する質量関数は、星団の光度的進化にどのように影響するか？
• RQ2 固定された初期質量関数を仮定する標準の進化合成モデルは、星団の年齢をどの程度過大評価するのか？
• RQ3 質量M > 10^7 M⊙の観測された古い高密度コンパクト天体のM/L比が、標準モデルの予測を上回る理由は何か？
• RQ4 異なる光度測定フィルターの組み合わせは、崩壊中の星団における年齢および質量推定の正確さにどのように影響するか？
• RQ5 クラスタの破壊時間は、時間に依存するM/L比および色の進化をどのように規定するか？

主な発見

• ブルー主系列星の徐々な枯渇に起因し、クラスタの色が時間とともに次第に赤くなる。特に破壊時間が短いモデルではこの効果が顕著である。
• 明るさの進化によりクラスタは暗くなるが、本モデルでは質量損失がより緩やかであるため、標準モデルよりも明るい明るさを予測し、M/L比を20–40%低減する。
• M/L比は標準予測から最大4倍のずれを示す。最大のずれは、初期および最終の崩壊段階で生じる。
• 光度的年齢推定値は20–200%の誤差を示すが、特に近赤外帯域を含むフィルターセットを使用した場合、最大で2–3倍の誤差が生じる。
• モデルは、クラスタの破壊時間の最終16%の間にM/L比が標準値を超えることを示しており、これは星の残骸が質量予算を支配するためである。
• 質量10^7 M⊙を超える巨大コンパクト天体では、観測されたM/L比がモデル予測を著しく上回る。これは、非標準的な初期質量関数または暗黒物質の存在を示唆している。