[论文解读] Dissecting the Core of the Tarantula Nebula with MUSE

P. A. Crowther, N. Castro+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本研究利用甚大望远镜（VLT）上的MUSE积分场光谱仪，首次对Tarantula星云核心（NGC 2070）中大质量恒星及电离气体条件进行了完整的光谱普查。通过结合空间分辨光谱与积分光谱，研究发现该区域的恒星形成表面密度与电离气体激发状态与高红移星暴星系相似，直接测得的氧丰度为12 + log(O/H) = 8.25，且分辨出的沃尔夫-拉叶星（Wolf-Rayet）星族金属量约为0.4 Z⊙，这一结果挑战了强线金属量诊断方法，后者在低金属量环境下会系统性低估金属量达0.3 dex。

ABSTRACT

We provide an overview of Science Verification MUSE observations of NGC 2070, the central region of the Tarantula Nebula in the Large Magellanic Cloud. Integral-field spectroscopy of the central 2' x 2' region provides the first complete spectroscopic census of its massive star content, nebular conditions and kinematics. The star-formation surface density of NGC 2070 is reminiscent of the intense star-forming knots of high-redshift galaxies, with nebular conditions similar to low-redshift Green Pea galaxies, some of which are Lyman continuum leakers. Uniquely, MUSE permits the star-formation history of NGC 2070 to be studied from both spatially-resolved and integrated-light spectroscopy.

研究动机与目标

• 对Tarantula星云核心（NGC 2070）中的大质量恒星及电离气体条件进行首次完整的光谱普查。
• 将NGC 2070的恒星形成特性与高红移星系形成星系及本地绿豌豆星系进行比较。
• 利用空间分辨光谱评估强线金属量诊断方法在低金属量环境中的可靠性。
• 确定单个大质量恒星及星团（R136、R140）对总电离气体与恒星光谱的贡献。

提出的方法

• 利用R ~ 3000的MUSE积分场光谱仪，在2′ × 2′视场内覆盖4600–9350 Å波段，空间采样为0.2″。
• 通过四次重叠指向拼接成中央区域的全景图，包含R136与R140，图像质量FWHM为0.7–1.1″。
• 利用Selman等人（1999）的V波段测光进行绝对通量定标，并应用消光律校正尘埃消光效应。
• 利用[S ii]、[S iii]与[O iii]线进行空间分辨诊断，以推导电子密度与温度。
• 使用非局部热动平衡大气模型FASTWIND拟合270个大质量星谱中的He i与He ii线，以确定有效温度与光度。
• 将积分光谱与河外星系形成区进行比较，并应用强线校准方法（如N2、O3N2）评估金属量偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 2070中大质量恒星的完整光谱普查结果如何，包括O型星、沃尔夫-拉叶星（WR）及超巨星类型？
• RQ2 NGC 2070中电离气体条件（密度、温度、电离度）与高红移星暴星系及绿豌豆星系相比如何？
• RQ3 在类似NGC 2070的低金属量H II区中，强线金属量诊断方法（如N2、O3N2）在多大程度上系统性低估真实金属量？
• RQ4 R136与R140对总He ii λ4686与C iv λ5801发射线的相对贡献如何？
• RQ5 NGC 2070的空间分辨恒星形成历史与从积分光谱中推断出的结果相比有何异同？

主要发现

• NGC 2070中直接测得的氧丰度为12 + log(O/H) = 8.25，基于N+与S2+的温度测量，表明其金属量约为0.4 Z⊙。
• 强线诊断方法（如N2、O3N2）测得的金属量为log(O/H)+12 = 8.0，对应于大麦哲伦云（SMC）水平的丰度，系统性低估真实值达0.3 dex。
• 分辨出的沃尔夫-拉叶星族包含10颗WN星、6颗Of/WN星与2颗WC星，其N(WR)/N(O)比值约为0.08，与0.4 Z⊙金属量一致。
• He ii λ4686的积分发射主要由R140贡献（占三分之一），尽管R136拥有最高质量的WN5h星，但这是由于经典WN星具有更强的星风发射。
• NGC 2070的恒星形成表面密度约为10 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²，与高红移星暴星系的星暴团块及绿豌豆星系相当。
• 基于Hα的电离光子发射率约为10⁵¹ s⁻¹，相当于约100颗O7 V型星或约300颗O型星，对应于4.5 Myr的恒星形成爆发，与MUSE识别出的具有He ii λ5412吸收特征的恒星数量一致。