[论文解读] ACS imaging of star clusters in M51. I. Identification and radius distribution

R. A. Scheepmaker, M. Haas+4 more|ArXiv.org|Apr 26, 2007

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用 60

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜/ACS成像技术，在M51星系中识别出7,698个星团，并以高精度测量其有效半径。研究发现，星团半径范围为0.5至21.6 pc，中位数为2.1 pc，其半径分布并非幂律形式，表明早期动力学演化不均匀；螺旋臂中的星团更紧凑，且半径随年龄（通过颜色追踪）而增大，但未发现显著的质量-半径相关性。

ABSTRACT

We use HST/ACS observations of the spiral galaxy M51 in F435W, F555W and F814W to select a large sample of star clusters with accurate effective radius measurements in an area covering the complete disc of M51. We present the dataset and study the radius distribution and relations between radius, colour, arm/interarm region, galactocentric distance, mass and age. We select a sample of 7698 (F435W), 6846 (F555W) and 5024 (F814W) slightly resolved clusters and derive their effective radii by fitting the spatial profiles with analytical models convolved with the point spread function. The radii of 1284 clusters are studied in detail. We find cluster radii between 0.5 and ~10 pc, and one exceptionally large cluster candidate with a radius of 21.6 pc. The median radius is 2.1 pc. We find 70 clusters in our sample which have colours consistent with being old GC candidates and we find 6 new "faint fuzzy" clusters in, or projected onto, the disc of M51. The radius distribution can not be fitted with a power law, but a log-normal distribution provides a reasonable fit to the data. This indicates that shortly after the formation of the clusters from a fractal gas, their radii have changed in a non-uniform way. We find an increase in radius with colour as well as a higher fraction of redder clusters in the interarm regions, suggesting that clusters in spiral arms are more compact. We find a correlation between radius and galactocentric distance which is considerably weaker than the observed correlation for old Milky Way GCs. We find weak relations between cluster luminosity and radius, but we do not observe a correlation between cluster mass and radius.

研究动机与目标

• 利用哈勃空间望远镜/ACS数据，识别并测量M51螺旋星系中大量星团的有效半径。
• 研究年轻及中等年龄星团的半径分布，并与星体形成云的理论模型进行比较。
• 检查星团有效半径与星系中心距离、光度、颜色、年龄及环境（螺旋臂与臂间区域）等物理参数之间的相关性。
• 通过分析颜色与空间位置的趋势，寻找星团尺寸动力学演化的证据。
• 在M51盘面中识别潜在的古老球状星团候选体及暗淡模糊星团。

提出的方法

• 从哈勃空间望远镜档案中获取M51盘面的深空ACS F435W、F555W和F814W成像数据。
• 利用三通道的测光与形态学标准，识别出7,698个轻微分辨的星团。
• 通过将解析模型与仪器点扩散函数（PSF）卷积，拟合星团表面亮度分布，以高精度推导出1,284个星团的有效半径（$R_{\text{eff}}$）。
• 使用颜色-颜色与颜色-星等标准，估算星团年龄与金属丰度，并对古老球状星团候选体及暗淡模糊星团进行分类。
• 分析半径分布并检验幂律拟合，将结果与星体形成云及古老银河系球状星团进行比较。
• 对$R_{\text{eff}}$与星系中心距离、光度、质量及环境（螺旋臂与臂间区域）的相关性进行统计分析，采用幂律拟合与误差传播方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 M51盘面中星团的有效半径分布如何？与星体形成分子云的半径分布相比有何异同？
• RQ2 星团有效半径与星系中心距离之间是否存在相关性？与古老银河系球状星团中观测到的关系相比如何？
• RQ3 螺旋臂中的星团与臂间区域的星团在尺寸上是否存在差异？这是否与环境压力或形成历史有关？
• RQ4 星团质量与有效半径之间是否存在可测量的相关性？其缺失对早期星团演化意味着什么？
• RQ5 星团半径与颜色（作为年龄的代理）之间是否存在相关性？这对其随时间的动力学膨胀意味着什么？

主要发现

• M51星团的有效半径分布范围为0.5至约10 pc，中位数为2.1 pc，其中存在一个异常巨大的星团候选体，其$R_{\text{eff}} = 21.6$ pc。
• 该半径分布不符合星体形成云的幂律形式，表明星团形成后早期动力学演化并非均匀。
• 螺旋臂中的星团中位数半径（1.9 pc）小于臂间区域星团（2.7 pc），表明高压环境中的星团更紧凑。
• 发现$R_{\text{eff}}$与星系中心距离之间存在微弱相关性，幂次关系为$R_{\text{eff}} \rightarrow R_{\text{G}}^{0.12 /pm 0.02}$，远弱于古老银河系球状星团中观测到的关系。
• 尽管对271个星团的质量估计精度较高，但未发现显著的星团质量与有效半径相关性。
• 观测到微弱的光度-半径关系：在臂间区域中$R_{\text{eff}} \rightarrow L^{0.15 /pm 0.02}$，在螺旋臂中$R_{\text{eff}} \rightarrow L^{-0.11 /pm 0.01}$，表明大小演化具有环境依赖性。