[論文レビュー] VLT Spectroscopy of Globular Cluster Systems, II. Spectroscopic Ages, Metallicities, and [alpha/Fe] Ratios of Globular Clusters in Early-Type Galaxies

Thomas H. Puzia, M. Kissler‐Patig+6 more|ArXiv.org|May 20, 2005

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 91

ひとこと要約

本研究では、早期型銀河内の球状星団の年齢、金属量、および[α/Fe]比を導出するためにVLT分光法とLickインデックス測定を用いた。約2/3が100億年以上古く、平均[α/Fe]は0.47 ± 0.06 dexであり、単一の崩壊モデルに一致する急速な形成時スケールを示しており、[α/Fe]と金属量の負の相関が確認され、金属量の高い星団の形成時スケールが短いことが示唆された。

ABSTRACT

An analysis of ages, metallicities, and [alpha/Fe] ratios of globular cluster systems in early-type galaxies is presented, based on Lick index measurements summarized in Puzia et al. (2004, Paper I of this series). In the light of calibration and measurement uncertainties, age-metallicity degeneracy, and the relative dynamic range of Lick indices, as well as systematics introduced by abundance ratio variations (in particular variations of [alpha/Fe] ratios), we find that the most reliable age indicator for our dataset is a combination of the Lick Balmer-line indices HgammaA, Hbeta, and HdeltaA. [MgFe]' is used as a spectroscopic metallicity indicator which is least affected by [alpha/Fe] variations. We introduce an interpolation routine to simultaneously derive ages, metallicities, and [alpha/Fe] ratios from diagnostic grids constructed from Lick indices. From a comparison of high-quality data with SSP model predictions, we find that ~2/3 of the globular clusters in early-type galaxies are older than 10 Gyr, up to 1/3 have ages in the range ~5-10 Gyr, and only a few cluster are younger than ~5 Gyr. Our sample of globular clusters covers metallicities from [Z/H] = -1.3 up to ~0.5 dex. We find that metal-rich globular clusters show on average a smaller mean age and a larger age scatter than their metal-poor counterparts. [alpha/Fe] diagnostic plots show that globular cluster systems in early-type galaxies have super-solar alpha/Fe abundance ratios with a mean [alpha/Fe] = 0.47+/-0.06 dex and a dispersion of about 0.3 dex. We find evidence for a correlation between [alpha/Fe] and metallicity, in the sense that more metal-rich clusters exhibit lower alpha-element enhancements. [abridged]

研究の動機と目的

• 高分解能VLTデータを用いて、早期型銀河内の球状星団系の分光的年齢、金属量、および[α/Fe]比を特定すること。
• 複数のLickインデックスを活用し、組成比の系儀を考慮することで、星族合成における年齢-金属量デゲネラシーを解消すること。
• 球状星団系が単一生長モデルか階層的合体モデルのどちらを支持するかを検証すること。
• [α/Fe]の金属量および年齢依存性を定量化し、形成時スケールと化学的増幅歴を推定すること。
• Lickインデックスに基づく年齢および金属量推定の信頼性を、SSPモデルおよびデータ品質指標と照合して検証すること。

提案手法

• 早期型銀河内の球状星団の高信噪比VLT分光スペクトルから、Lickインデックス値（Hβ、HγA、HδA、[MgFe]′）を測定した。
• 星族合成モデルに基づく診断グリッドを用い、新規の補間ルーチンにより同時に年齢、金属量[Z/H]、[α/Fe]を導出した。
• 高品質データを用いて手法をキャリブレーションし、水平枝の形状およびインデックス測定誤差に起因する系統的不確実性を評価した。
• 観測されたLickインデックスを単一星族（SSP）モデルの予測と比較して年齢と金属量を導出し、[MgFe]′を[α/Fe]の変動に強く依存しない金属量指標として用いた。
• バルマーインデックスの分散を分析し、SSPモデルと整合しない外れ値を特定することで、データ品質の影響を評価した。
• 分光的結果の妥当性を検証するため、分光的に導出された年齢と金属量から予測されたSSP色と観測された光度色を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VLTデータに基づき、早期型銀河内の球状星団の分光的年齢、金属量、および[α/Fe]比は何か？
• RQ2 年齢-金属量デゲネラシーと[α/Fe]の変動は、Lickインデックスからの年齢および金属量推定の信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 球状星団系において[α/Fe]と金属量の相関があるか？それは形成時スケールにどのような含意を持つか？
• RQ4 導出された年齢および組成比は、単一生長モデルか階層的合体モデルのどちらを支持するか？
• RQ5 水平枝の形状およびデータ品質の不確実性は、年齢および金属量推定の信頼性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 早期型銀河内の球状星団の約2/3が100億年以上古く、最大1/3が50億歳から100億歳の間の年齢を示し、50億歳未満の星団はわずかにとどまっている。
• 平均[α/Fe]比は0.47 ± 0.06 dexで、分散は約0.3 dexであり、形成時スケールが10億年未塔であることを示しており、タイプII超新星による支配的かつ急速な化学的増幅に一致している。
• 金属量と[α/Fe]の間には顕著な負の相関が確認され、金属量の高い星団ではα要素の過剰が低く、より短い形成時スケールを示していることが示唆された。
• 金属量の高いサブサンプルでは年齢分散が3.5 Gyrと高く、金属量の低いサブサンプル（分散0.5 Gyr）よりも平均年齢が低いことから、年齢-金属量関係が存在することが示された。
• 観測された光度色は、分光的に導出された年齢と金属量から計算されたSSPモデル色と良好に一致しており、手法の妥当性が裏付けられた。
• 低品質データではバルマーインデックスの分散が増加し、SSPモデルの予測を下回る極端に低いバルマーインデックス値は高品質データでは消失するため、低品質観測には系統的バイアスが存在することが示された。