[论文解读] Globular cluster absolute ages from cooling brown dwarfs

Ilaria Caiazzo, Jeremy Heyl+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过测量球状星团中最亮冷却棕矮星的光度来确定其绝对年龄，这些棕矮星的光度随年龄预测性地衰减。通过在颜色-星等图中识别最暗的可探测棕矮星，该方法在95%置信水平下可实现约10亿年（1 Gyr）的精度，且不依赖于距离或传统恒星模型，随着詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）红外灵敏度的提升，该方法即将具备可行性。

ABSTRACT

Globular clusters are the oldest conglomerates of stars in our Galaxy and can be useful laboratories to test theories from stellar evolution to cosmology. In this paper, we present a new method to estimate the absolute age of a globular cluster from observations of its brown dwarfs. The transition region between the end of the main sequence and the brown dwarf regime is characterized by a dearth of objects as function of magnitude. The brightest of the cooling brown dwarfs is easily identified by an increase in density in the color-magnitude diagram as you go fainter in magnitudes, and these brightest brown dwarfs get fainter with age. By identifying the brightest brown dwarfs, it is thus possible to determine the age of a globular cluster within a 1 Gyr precision with four-sigma confidence. This new method, which is independent of current methods of age estimation and which does not rely on the knowledge of the cluster's distance from Earth, will become feasible thanks to the high spatial resolution and incredible infrared sensitivity of the James Webb Space Telescope.

研究动机与目标

• 开发一种不依赖距离或传统主序拐点拟合的独立方法，以估算球状星团的绝对年龄。
• 测试利用冷却棕矮星作为年龄指示器在即将开展的JWST观测背景下的可行性。
• 通过利用具有高年龄敏感度的特征——特别是最亮棕矮星的星等——来降低星团年龄估算的不确定性。
• 评估背景星系对棕矮星序列的污染风险，并提出观测策略以区分棕矮星与微弱的星系源。
• 通过在单一年龄测定框架中结合多个特征（如棕矮星、白矮星、主序星）来改进恒星演化模型的约束。

提出的方法

• 在球状星团的颜色-星等图（CMD）中识别最亮的冷却棕矮星，其特征为随着星等变暗，星源密度逐渐升高。
• 将最亮棕矮星的观测星等直接用作年龄指示器，因为其光度随时间推移单调递减，这是由于冷却所致。
• 利用考虑真实大气模型、涵盖不同金属丰度的棕矮星演化模型，预测冷却轨迹和光度演化。
• 利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）提供的高分辨率、深红外观测数据，探测47 Tucanae等星团中的这些微弱、低温天体。
• 通过建模类似滤光片（如F150W2、F322W2）中星系的分布，并结合空白场观测或自行测量，来校正背景污染。
• 利用现有哈勃空间望远镜数据（如GO-11677项目中的ACS观测）对方法进行校准，以在JWST部署前验证其有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 球状星团中最亮冷却棕矮星的光度能否作为精确且独立的年龄指示器？
• RQ2 棕矮星星等对星团年龄的敏感度如何？当前及未来仪器可实现多高的精度？
• RQ3 在深红外巡天中，背景星系在相关颜色-星等范围内的污染程度如何？如何有效缓解？
• RQ4 棕矮星大气和状态方程模型中的不确定性如何影响该方法的年龄估算？
• RQ5 该方法能否与其它年龄测定技术（如白矮星冷却、主序拐点）结合，以提高整体年龄和距离约束的精度？

主要发现

• 该方法在95%置信水平下可实现约10亿年（1 Gyr）的年龄精度，为球状星团年龄提供了稳健的独立约束。
• 星团中最亮的棕矮星随年龄增长而逐渐变暗，提供了单调且可预测的年龄-光度关系。
• 该方法不依赖星团距离，也不依赖主序拐点或白矮星冷却序列，从而减少了系统性误差。
• 基于2MASS和WISE星表的对比分析，相关颜色-星等范围内的星系污染极低，尤其在棕矮星预期的微弱星等范围内。
• 该方法在质量大、金属丰度低且弛豫时间长的星团中最为有效，如47 Tucanae、M5、M13、M30和M92。
• 未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的观测将使该方法成为可行，从而实现对以往受限于灵敏度和分辨率的星团进行高精度年龄测量。