[論文レビュー] The survey of planetary nebulae in Andromeda (M 31)

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 86被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、M31の内側ハローの亀裂構造における深さのある[O iii] 5007Å帯域フィルターを用いた惑星状星雲（PNe）調査を用い、惑星状星雲の全光度関数（PNLF）を通じてその起源を制約した。PNLFの明るいカットオフマグニチュード（M*）と明るさの小さい方の傾きは、領域によって顕著に異なることが判明した。巨大ストリームおよびNEシェルフは、衛星の破片であることに一致し、G1クラップは若年星を含む合体前のディスクに起因するものであり、ストリーム-Dは別個の吸収イベントに起因するものである。結果は、M31の大部分の亀裂構造が約2–3 Gyr前に発生した単一の大規模合体によって生じたものであり、PNLFの明るさの小さい方の領域は、より古い星の集団からのPNeによって優勢に占められていることを支持する。

ABSTRACT

Context. The age–velocity dispersion relation is an important tool to understand the evolution of the disc of the Andromeda galaxy (M 31) in comparison with the Milky Way. Aims. We use planetary nebulae (PNe) to obtain the age–velocity dispersion relation in different radial bins of the M 31 disc. Methods. We separate the observed PNe sample based on their extinction values into two distinct age populations in the M 31 disc. The observed velocities of our high- and low-extinction PNe, which correspond to higher- and lower-mass progenitors, respectively, are fitted in de-projected elliptical bins to obtain their rotational velocities, Vϕ, and corresponding dispersions, σϕ. We assign ages to the two PN populations by comparing central-star properties of an archival sub-sample of PNe, that have models fitted to their observed spectral features, to stellar evolution tracks. Results. For the high- and low-extinction PNe, we find ages of ∼2.5 and ∼4.5 Gyr, respectively, with distinct kinematics beyond a deprojected radius RGC = 14 kpc. At RGC = 17–20 kpc, which is the equivalent distance in disc scale lengths of the Sun in the Milky Way disc, we obtain σϕ, 2.5 Gyr = 61 ± 14 km s−1 and σϕ, 4.5 Gyr = 101 ± 13 km s−1. The age–velocity dispersion relation for the M 31 disc is obtained in two radial bins, RGC = 14–17 and 17–20 kpc. Conclusions. The high- and low-extinction PNe are associated with the young thin and old thicker disc of M 31, respectively, whose velocity dispersion values increase with age. These values are almost twice and three times that of the Milky Way disc stellar population of corresponding ages, respectively. From comparison with simulations of merging galaxies, we find that the age–velocity dispersion relation in the M 31 disc measured using PNe is indicative of a single major merger that occurred 2.5–4.5 Gyr ago with an estimated merger mass ratio ≈1:5.

研究の動機と目的

• M31の内側ハロー亀裂構造（巨大ストリーム、NEシェルフ、G1クラップ、Nクラップ、Wシェルフ、ストリーム-D）の起源を、惑星状星雲の全光度関数（PNLF）を用いて特定すること。
• PNLFのパラメータ（M*および明るさの小さい方の傾き）を、母星の星形成歴および金属量と関連付けること。
• M31の亀裂構造における観測されたPNLFの変動が、単一の大規模合体モデルか、複数の小規模吸収イベントによって説明可能かどうかを検証すること。
• 星の集団のうち5 Gyr未満の年齢の割合および金属量が、PNLFの形態に与える影響を調査すること。
• 実測されたPNLFデータを用いて、M31の内側ハローの形成歴について独立した制約を提示すること。

提案手法

• M31の内側ハローにおける6つの主要な亀裂構造および2つのディスク環状領域（RGC = 10–20 kpcおよび20–30 kpc）を対象に、54平方度の深さのある[O iii] 5007Å帯域フィルター調査を実施し、惑星状星雲（PNe）を同定した。
• 累積フィッティングを用いて、各領域のPNLFを測定し、明るいカットオフマグニチュード（M*）および明るさの小さい方の傾き（cf2）を決定した。
• 均一な距離および線路上の減光を考慮した上で、亀裂構造およびディスク領域間のPNLFパラメータを統計的に比較した。
• HST観測（Bernard et al. 2015）およびLMCからの公表済みの星形成歴（SFH）および金属量と、PNLFパラメータを相関させた。
• 理論的PNLFモデル（Dopita et al. 1992）を用い、観測されたM*の変動が金属量および年齢に基づく予測と一致するかを比較した。
• 明るさの小さい方の傾きが5 Gyr未満の星の集団の割合にどのように依存するかを分析し、PNLFに及ぼす年齢寄与の寄与度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M31の内側ハロー亀裂構造のPNLFパラメータ（M*および明るさの小さい方の傾き）は、ディスクと顕著に異なるか？ その差異は、それらの起源に何を示唆するか？
• RQ2 亀裂構造間で観測されたM*の変動は、母星集団の金属量および年齢に基づく理論的予測と整合的か？
• RQ3 各亀裂構造におけるPNLFの形態は、単一の大規模合体と複数の小規模吸収イベントのどちらに起因するかを区別できるか？
• RQ4 異なるM31領域における、明るさの小さい方のPNLFへの、5 Gyrより古い星の集団の寄与度は何か？
• RQ5 ストリーム-Dは、その独自のPNLFおよび低金属量から、他の亀裂構造とは別個の起源を持つのでは、という仮説が妥当か？

主な発見

• 巨大ストリームおよび西側シェルフのPNLFの明るいカットオフマグニチュード（M*）は、母星集団の測定された金属量を仮定したPN進化モデルの予測よりも、それぞれ0.6および0.8マグニチュード明るくない。
• ストリーム-DのM*値は、予測よりも1.5マグニチュード明るくないため、顕著に低い金属量であり、他の亀裂構造とは別個の起源であることが示唆される。
• PNLFの明るさの小さい方の傾きは、5 Gyr未満の星の質量割合が減少するに従って線形的に増加し、より古い星の集団が明るさの小さい方のPNLFを優勢に占めていることを示している。
• 巨大ストリームおよびNEシェルフは、PNLFパラメータおよび低金属量から、単一の衛星の破片であることに一致する。
• G1クラップは、若い星の寄与が顕著に見られるため、合体前のディスク起源に一致するPNLFを示しており、吸収された冷たいガスからの合体後の星形成を示唆している。
• PNLFの制約と、論文IIで得られた年齢-速度分散関係を組み合わせることで、M31の内側ハロー亀裂構造の大部分が約2–3 Gyr前に発生した単一の大規模合体によって生じたものであり、ストリーム-Dは別個の吸収イベントに起因するものであることが支持された。