[논문 리뷰] The survey of Planetary Nebulae in Andromeda (M31) II. Age-velocity dispersion relation in the disc from Planetary Nebulae

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 20.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 47인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 M31의 성간 성운(PNe)을 사용하여 은하판의 연령-속도 분산 관계(AVR)를 측정하며, R_GC = 17–20 kpc에서 4.5 Gyr된 PNe는 101 ± 13 km s⁻¹의 유의미하게 높은 속도 분산을 보이며, 2.5 Gyr된 PNe는 61 ± 14 km s⁻¹를 보인다. 이 AVR는 약 2.5–4.5 Gyr 전에 발생한 단일 주요 분열로 인한 동역학적 가열을 시사하며, 질량 비율 ≈1:5이다. 이는 M31의 최근 항성 형성 폭발과 허브성 구조와 일치한다.

ABSTRACT

The age-velocity dispersion relation is an important tool to understand the evolution of the disc of the Andromeda galaxy (M31) in comparison with the Milky Way. We use Planetary Nebulae (PNe) to obtain the age-velocity dispersion relation in different radial bins of the M31 disc. We separate the observed PNe sample based on their extinction values into two distinct age populations. 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, $V_ϕ$, and corresponding dispersions, $ mσ_ϕ$. We assign ages to the two PNe populations by comparing central-star properties of an archival sub-sample of PNe, having models fitted to their observed spectral features, to stellar evolution tracks. For the high- and low-extinction PNe, we find ages of $\sim2.5$ Gyr and $\sim4.5$ Gyr respectively, with distinct kinematics beyond a deprojected radius R$ m_{GC}= 14$ kpc. At R$ m_{GC}$=17--20 kpc, which is the equivalent distance in disc scale lengths of the Sun in the Milky Way disc, we obtain $ mσ_{ϕ,~2.5~Gyr}= 61\pm 14$ km s$^{-1}$ and $ mσ_{ϕ,~4.5~Gyr}= 101\pm 13$ km s$^{-1}$. The age-velocity dispersion relation for the M31 disc is obtained in two radial bins, R$ m_{GC}$=14--17 and 17--20 kpc. The high- and low-extinction PNe are associated with the young thin and old thicker disc of M31 respectively, whose velocity dispersion values increase with age. These values are almost twice and thrice that of the Milky Way disc stellar population of corresponding ages. From comparison with simulations of merging galaxies, we find that the age-velocity dispersion relation in the M31 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 $\approx$ 1:5.

연구 동기 및 목표

• 성간 성운(PNe)을 사용하여 연령-속도 분산 관계(AVR)를 측정함으로써 M31 판의 동역학적 진화를 이해하는 것.
• 흡광도 기반으로 PNe의 운동학적 분리를 통해 M31의 젊은 얇은 판과 오래된 두꺼운 판 인구를 구분하는 것.
• 관측된 AVR을 수체역학적 시뮬레이션과 비교함으로써 M31의 분열 역사를 추론하는 것.
• 관측된 PNe 운동학이 과거 주요 분열의 시기와 질량 비율을 제약 조건으로 삼을 수 있는지 테스트하는 것.

제안 방법

• PNe는 고흡광도 및 저흡광도 인구로 분리되었으며, 고흡광도 PNe는 고질량 원성운과 젊은 연령(~2.5 Gyr)과 관련되고, 저흡광도 PNe는 저질량 원성운과 오래된 연령(~4.5 Gyr)과 관련된다.
• 각 연령 그룹의 순환 속도 분산(σ_φ)을 도출하기 위해, 투영 해제된 타원형 밴드에서 반경 방향 속도 및 회전 속도(V_φ)를 측정하였다.
• 하나의 PNe 하위표본의 중심별 성질을 항성 진화 궤적과 비교하고, 성운 방출선의 스펙트럼 모델링을 통해 연령를 할당하였다.
• AVR는 두 개의 반경 밴드에서 구성되었으며, R_GC = 14–17 kpc 및 17–20 kpc로, 후자는 은하수 판의 태양 반경과 일치한다.
• 수체역학적 시뮬레이션을 통해 관측된 척도 높이 및 속도 분산 변화를 비교함으로써 분열 질량 비율을 추정하였다.
• 이론적 모델을 사용하여 분열 전 판의 척도 높이와 관측된 가열을 재현하기 위해 필요한 위성 질량을 추론하였으며, 2.5–4.5 Gyr 전의 분열을 가정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M31 판에서의 연령-속도 분산 관계(AVR)는 은하수에서 관찰된 것과 같이 연령이 증가함에 따라 속도 분산이 단조롭게 증가하는가?
• RQ2 흡광도와 운동학을 기반으로 성간 성운(PNe)을 사용해 M31의 젊은 얇은 판과 오래된 두꺼운 판 인구를 신뢰성 있게 분리할 수 있는가?
• RQ3 관측된 AVR과 은하수의 AVR과의 편차를 바탕으로 M31의 암시적 분열 역사는 무엇인가?
• RQ4 관측된 속도 분산 증가가 단일 주요 분열과 일치하는가? 만약 그렇다면, 추정된 질량 비율과 시기는 무엇인가?
• RQ5 PNe의 운동학은 M31에서 관측된 2 Gyr 전의 항성 형성 폭발과 내부 허브성 하위구조를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• R_GC = 17–20 kpc에서 2.5 Gyr된 PNe의 속도 분산은 61 ± 14 km s⁻¹이며, 4.5 Gyr된 PNe는 101 ± 13 km s⁻¹로, 분산이 연령에 따라 명확하게 증가함을 시사한다.
• 고흡광도 PNe는 R_GC = 14 kpc 이상에서 더 낮은 동역학적 온도를 보이며 젊은 얇은 판 성분을 추적하는 반면, 저흡광도 PNe는 더 높은 온도를 보이며 오래된 두꺼운 판을 추적한다.
• 관측된 M31의 AVR은 은하수보다 유의미하게 더 뜨겁으며, 같은 연령의 은하수 항성의 속도 분산보다 거의 두 배에서 삼 배에 이른다.
• 운동학 데이터는 약 2.5–4.5 Gyr 전에 발생한 단일 주요 분열과 일치하며, 위성 질량 비율은 약 1:5로 추정되며, 관측된 가열을 재현하기 위해 약 1.4 × 10¹⁰ M☉의 위성 질량이 필요하다.
• 분열 시나리오는 M31의 2 Gyr 전 항성 형성 폭발과 내부 허브성 하위구조의 존재를 수체역학적 시뮬레이션과 일치시킨다.
• 추정된 분열 전 판의 척도 높이는 약 0.3 kpc였고, 분열 후 약 0.86 kpc로 증가하여 관측된 판 두꺼워짐과 일치한다.