[论文解读] Analysing Globular Cluster observations - Models and Analysis Tools for Lick/IDS indices

Thomas Lilly, U. Fritze|ArXiv.org|May 24, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 40被引用 6

一句话总结

本文提出LINO，一种基于χ²的新型分析工具，利用Lick/IDS吸收线指数，结合包含更新等时线和完整Lick指数集的演化合成模型（galev），测定球状星团的年龄和金属量。结果表明，指数对年龄和金属量的敏感性随这两个参数而变化，并发现Lick指数得出的年龄估计值比CMD方法高约2 Gyr，尽管大多数星团的结果与文献值一致，即使在非太阳α元素丰度的情况下也是如此。

ABSTRACT

We have extended our evolutionary synthesis code, GALEV, to include Lick/IDS absorption-line indices for both simple and composite stellar population models (star clusters and galaxies), using the polynomial fitting functions of Worthey et al. (1994) and Worthey & Ottaviani (1997). We present a mathematically advanced Lick Index Analysis Tool (LINO) for the determination of ages and metallicities of globular clusters (CGs): An extensive grid of GALEV models for the evolution of star clusters at various metallicities over a Hubble time is compared to observed sets of Lick indices of varying completeness and precision. A dedicated chi^2 - minimisation procedure selects the best model including 1-sigma uncertainties on age and metallicity. We discuss the age and metallicity sensitivities of individual indices and show that these sensitivities themselves depend on age and metallicity; thus, we extend Worthey's (1994) concept of a "metallicity sensitivity parameter" for an old stellar population at solar metallicity to younger clusters of different metallicities. We find that indices at low metallicity are generally more age sensitive than at high metallicity. Our aim is to provide a robust and reliable tool for the interpretation of star cluster spectra becoming available from 10m class telescopes in a large variety of galaxies: metal-rich & metal-poor, starburst, post-burst, and dynamically young. We test our analysis tool using observations from various authors for Galactic and M31 GCs, for which reliable age and metallicity determinations are available in the literature, and discuss in how far the observational availability of various subsets of Lick indices affects the results. For M31 GCs, we discuss the influence of non-solar abundance ratios on our results.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的方法，从吸收线指数推导球状星团的年龄和金属量，克服宽带测光在解决年龄-金属量退化问题上的局限性。
• 将Lick指数分析的应用范围扩展至外部星系中的中等年龄和古老星族星团，包括富金属和贫金属系统。
• 提供一种工具，可计算年龄和金属量的1σ不确定度，优于以往缺乏误差估计的方法。
• 测试非太阳元素丰度比（如α元素增强）对使用Lick指数推导年龄和金属量的影响。
• 公开发布一个包含Lick指数的完整演化合成模型网格，供星系和星团研究使用。

提出的方法

• 作者将galev演化合成代码扩展，使用Worthey等人（1994）和Worthey & Ottaviani（1997）的多项式拟合函数，纳入全部25个Lick/IDS指数。
• 利用包含热脉动渐近巨星分支（TP-AGB）阶段的更新版Padova等时线，为球状星团在哈勃 timescale 范围内生成单年龄、单金属量星族模型（SSPs）网格。
• Lick指数分析工具（LINO）通过最小化观测指数与模型预测值之间的χ²，推导出最佳拟合年龄和金属量及其±1σ不确定度。
• 量化了各个指数对年龄和金属量的敏感性，并表明其敏感性随当前星族的年龄和金属量而变化，扩展了Worthey（1994）的金属量敏感性参数概念。
• 通过使用银河系和M31球状星团的观测Lick指数（其年龄和金属量由CMD分析独立确定）对方法进行验证。
• 通过与Puzia等人（2005）的结果对比，测试非太阳α元素丰度比的影响，后者为相同星团提供了[α/Fe]测量值。

实验结果

研究问题

• RQ1 Lick/IDS指数对年龄和金属量的敏感性在不同年龄和金属量下如何变化，特别是在超出太阳金属量、古老星族的区域？
• RQ2 Lick指数在多大程度上能为球状星团提供可靠的年龄和金属量约束，尤其与传统的颜色-星等图（CMD）方法相比？
• RQ3 当仅使用部分观测指数时，LINO工具能否准确恢复球状星团的已知年龄和金属量？其精度如何随指数完整度变化？
• RQ4 非太阳元素丰度比（如α元素增强）如何影响由Lick指数推导出的年龄和金属量？这种影响是系统性的还是可忽略的？
• RQ5 指数测量精度对年龄和金属量估计可靠性的影响如何，特别是在绝对指数强度比相对敏感性更为关键的情况下？

主要发现

• 当仅使用六个关键指数（Mg1、Mg b、Fe5270、Fe5335、NaD和Hβ）时，LINO能将球状星团的金属量恢复至±0.2 dex以内。
• 基于Lick指数的年龄估计系统性地比基于颜色-星等图（CMD）分析的结果高约2 Gyr，但这一差异的原因尚不明确。
• 指数对年龄和金属量的敏感性并非恒定，而是取决于当前星族的年龄和金属量，且在低金属量时对年龄更敏感。
• Worthey（1994）提出的金属量敏感性参数S的概念成功扩展至年轻星族和非太阳金属量，证实其在更广泛条件下的有效性。
• 在比较太阳比例模型与α元素增强模型的结果时，未发现年龄或金属量推导存在显著系统性偏差，即使[α/Fe]发生变化，表明非太阳元素丰度比对结果影响不大。
• 该工具与文献中银河系和M31球状星团的值具有良好的一致性，尤其在排除可能为前景矮星系或年轻系统的星团后。