[论文解读] The star cluster - field star connection in nearby spiral galaxies. II. Field star and cluster formation histories and their relation

E. Silva-Villa, Soeren S. Larsen|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 59被引用 45

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜对五颗邻近旋涡星系的成像，同时分析场星与星团，采用合成颜色-星等图和谱谱能函数拟合，以约束恒星形成历史及以长寿命星团形式形成的恒星比例（Γ）。研究发现，Γ在各星系中为2%至10%，与恒星形成率密度无明显相关性，但与星团的特定U波段亮度存在显著相关性。

ABSTRACT

Recent studies have started to cast doubt on the assumption that most stars are formed in clusters. Observational studies of field stars and star cluster systems in nearby galaxies can lead to better constraints on the fraction of stars forming in clusters. We aim to constrain the amount of star formation happening in long-lived clusters for four galaxies through the homogeneous study of field stars and star clusters. Using HST/ACS-WFPC2 images of the galaxies NGC45, NGC1313, NGC5236 and NGC7793, we estimate star formation histories by means of the synthetic CMD method. Masses and ages of star clusters are estimated using simple stellar population model fitting. Comparing observed and modeled luminosity functions we estimate cluster formation rates. By randomly sampling the stellar IMF, we construct artificial star clusters and quantify how stochastic effects influence cluster detection, integrated colors and age estimates. Star formation rates appear to be constant over the past 10-100 Myr. The number of clusters identified per galaxy varies, with few massive (>10^5Msun) and few old (>1Gyr) clusters. The galaxies NGC5236 and NGC1313 show high star and cluster formation rates compare to NGC7793 and NGC45. Stochastic sampling of the SIMF has a strong impact on estimation of ages, colors and completeness for clusters with masses <10^4Msun, while for high masses the effect is less pronounced. Stochasticity also makes size measurements highly uncertain at young ages, making it difficult to distinguish between clusters and stars based on sizes. The ratio of star formation happening in clusters compared to the global star formation ($Γ$) appears to vary for different galaxies. We find no obvious relation between $Γ$ and the star formation rate density within the range probed here. The $Γ$ values do, however, appear to correlate with the specific U-band luminosity (T_L (U)).

研究动机与目标

• 通过场星与星团的统一分析，约束邻近旋涡星系中以长寿命星团形式形成的恒星比例（Γ）。
• 研究恒星初始质量函数（SIMF）的随机抽样对星团检测、年龄估计及光学特性的影响。
• 评估星团样本选择方法（特别是基于尺寸的准则）的可靠性及其对年龄和质量函数测量的影响。
• 检验Γ是否与星系整体参数（如恒星形成率密度Σ_SFR）或星团特定U波段亮度相关。
• 评估星团消散对观测到的星团形成率的影响，并检验不同消散模型（质量依赖型与质量无关型）的一致性。

提出的方法

• 利用HST/ACS与HST/WFPC2成像，获取NGC 45、NGC 1313、NGC 4395、NGC 5236与NGC 7793中场星与星团的高分辨率测光数据。
• 应用合成颜色-星等图（CMD）方法，通过将观测CMD与合成模型对比，推导场星的恒星形成历史。
• 采用简单星族（SSP）模型拟合，基于星团的观测谱谱能函数（SED），估算其质量和年龄。
• 通过从SIMF中随机抽样构建人工星团，量化随机效应在星团检测完备性、颜色与年龄估计方面的影响。
• 比较观测与模型的星等函数，推导星团形成率（CFR），并推断消散规律。
• 评估选择效应（尤其是尺寸截断）对星团样本可靠性的影响，特别是在年轻星团（τ ≤ 100 Myr）时。

实验结果

研究问题

• RQ1 在邻近旋涡星系中，以长寿命星团形式形成的恒星比例（Γ）是多少？其在不同星系间如何变化？
• RQ2 恒星初始质量函数（SIMF）的随机抽样如何影响观测到的光学特性、年龄估计及低质量星团（M ≤ 10^4 M⊙）的检测完备性？
• RQ3 在观测到的10^{-3}–10^{-2} M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²范围内，Γ与恒星形成率密度（Σ_SFR）是否存在可测量的相关性？
• RQ4 观测到的星团群体是否与星团的特定U波段亮度（T_L(U)）相关，表明星团光与形成效率之间存在物理解释？
• RQ5 选择效应（特别是基于尺寸的准则）在多大程度上导致星团年龄与质量函数测量偏差，尤其是在年轻星团时？

主要发现

• NGC 5236与NGC 1313的观测区域中，恒星形成率在过去10^7–10^8年内较高且近似恒定，而NGC 7793、NGC 4395与NGC 45的恒星形成率较低且更平静。
• SIMF的随机抽样显著影响年龄与颜色估计，并降低质量≤10^4 M⊙星团的检测完备性，尤其在年轻星团中更为明显。
• 年轻星团（τ ≤ 10^8 yr）的尺寸测量因随机性而高度不确定，导致基于尺寸的分类在区分星团与场星时不可靠。
• 样本中以长寿命星团形式形成的恒星比例（Γ）在2%至10%之间变化，与恒星形成率密度（Σ_SFR）在探测范围内无明显相关性。
• Γ与星团的特定U波段亮度（T_L(U)）存在显著相关性，表明星团光可能是比Σ_SFR更优的形成效率指标。
• 基于观测到的星等函数与星团形成率，无法明确区分质量依赖型与质量无关型消散模型。