[论文解读] Determination of the globular cluster and halo stellar mass functions and stellar and brown dwarf densities

G. Chabrier, Dominique Méra|arXiv (Cornell University)|May 9, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文利用低质量恒星模型，将观测到的光度函数转换为总光度和质量函数，确定了球状星团和银河晕中恒星与棕矮星的质量函数。结果发现，在星系晕中，从0.1 M☉至更低质量范围，存在一个普遍的幂律质量函数，幂次α ≈ 1.7 ± 0.2，且排除了棕矮星和低质量恒星作为重要暗物质候选者，其对银河系暗物质密度的贡献被限制在≤1%以内。

ABSTRACT

We use recent low-mass star models, which reproduce accurately the observed sequences of various globular clusters, to convert the observed luminosity functions into bolometric luminosity functions and mass functions down to the bottom of the main sequence. These mass functions are well describedby a slowly rising power-law $dN/dm\propto m^{-α}$, with $0.5\wig < α\wig < 1.5$, down to $\sim 0.1 \msol$, independently of the metallicity, suggesting a rather universal behaviour of the cluster initial mass functions. We predict luminosity functions in the NICMOS filters in the stellar and in the brown dwarf domains for different mass functions and metallicities. We apply these calculations to the determination, slope and normalization, of the mass function of the Galactic halo (spheroid and dark halo). The spheroid mass function is well described by the afore-mentioned power-law function with $α\sim 1.7\pm 0.2$ down to 0.1 $\msol$, although a slowly decreasing mass function below $\sim 0.15 \msol$ can not be excluded with the data presently available. Comparison with the Hubble Deep Field star counts is consistent with such a mass function and excludes a significant stellar population in the dark halo. Consistent analysis with recent microlensing experiments towards the LMC shows that the spheroid and the dark-halo stellar+brown dwarf populations represent at most $\sim$ 1% of the Galactic dark matter density. This clearly excludes brown dwarfs and low-mass stars as significant dark matter candidates.

研究动机与目标

• 利用观测到的光度函数，确定球状星团和银河晕中恒星与棕矮星的质量函数。
• 评估不同金属丰度下球状星团中初始质量函数的普适性。
• 约束低质量恒星与棕矮星对银河系暗物质预算的贡献。
• 将理论预测与哈勃深空巡天及微引力透镜观测数据进行比较。
• 评估推导出的质量函数与现有恒星与棕矮星群体模型的一致性。

提出的方法

• 使用近期的低质量恒星模型，这些模型能准确再现球状星团中观测到的颜色-星等序列。
• 利用依赖于模型的总光度校正，将观测到的光度函数转换为总光度函数。
• 通过关系式 dN/dm ∝ m^−α 推导质量函数，并对数据拟合幂律行为。
• 利用一致的恒星模型和金属丰度依赖关系，将质量函数外推至棕矮星区域。
• 预测不同质量函数和金属丰度下近红外（NICMOS）滤光片的光度函数。
• 将预测的星体计数与哈勃深空巡天及朝向大麦哲伦云的微引力透镜观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团中的初始质量函数在不同金属丰度下是否具有普适性？
• RQ2 银河晕中恒星与棕矮星质量函数的斜率和归一化值是多少？
• RQ3 低质量恒星与棕矮星在多大程度上可贡献于银河系的暗物质密度？
• RQ4 观测到的哈勃深空星体计数是否与推导出的质量函数一致？
• RQ5 朝向大麦哲伦云的微引力透镜观测是否支持存在显著的暗晕恒星与棕矮星群体？

主要发现

• 球状星团的质量函数遵循一个缓慢上升的幂律，幂次α在0.5至1.5之间，且与金属丰度无关，表明在约0.1 M☉以下存在普遍的初始质量函数。
• 银河晕的质量函数可用幂律很好地描述，幂次α ≈ 1.7 ± 0.2，下限至0.1 M☉，尽管目前数据尚不能完全排除在0.15 M☉以下存在轻微下降的可能性。
• 与哈勃深空星体计数的比较支持所推导的质量函数，并排除了暗晕中存在显著恒星群体的可能性。
• 朝向大麦哲伦云的微引力透镜实验表明，晕中恒星与棕矮星群体对银河系暗物质密度的贡献至多为~1%。
• 结果明确排除了棕矮星和低质量恒星作为银河系暗物质主要贡献者的可能性。
• 该分析证实了理论质量函数与深空巡天及微引力透镜观测约束的一致性。