[论文解读] Integrated Spectroscopy of Bulge Globular Clusters and Fields. II. Implications for stellar population models and elliptical galaxies

Claudia Maraston, L. Greggio+5 more|ArXiv.org|Sep 11, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 67

一句话总结

本文通过增强的[$\alpha$/Fe]比值对简单星族（SSP）模型进行了经验校准，表明金属丰度较高的球状星团和银河系核球——如同椭圆星系一样——其镁指数强于、铁指数弱于太阳比例模型的预测。关键结果是，采用[$\alpha$/Fe] = +0.3的元素分布模式可准确再现所有金属丰度下的观测Lick指数，证实了早期型星族中存在$\alpha$-增强现象。

ABSTRACT

Synthetic Lick indices (e.g. Mg_2, Fe, etc.) of Simple Stellar Population (SSP) models are calibrated for the first time up to solar metallicity with a sample of Milky Way globular clusters (GCs) which includes the metal rich GCs of the Galactic bulge. This metallicity range is relevant to elliptical galaxies. It is shown that the Bulge GCs and integrated light follow the same correlation between Mg and Fe indices of elliptical galaxies, showing weaker Fe indices at given Mg indices with respect to models that assume solar-scaled abundances. This similarity is the robust empirical evidence for enhanced alpha/Fe ratios in the stellar populations of elliptical galaxies, since the globular clusters are independently known to be alpha-enhanced. The uniqueness of this alpha-overabundance solution is checked by exploring the whole range of model ingredients. We argue that the standard models reproduce the Mg-Fe correlation at low metallicities because the stellar templates used in the synthesis are the alpha-enhanced stars of the galactic Halo. These same models, however, fail to recover the Mg-Fe pattern of Bulge clusters and ellipticals at high metallicities because the high-metallicity templates are disk stars, which are not alpha-enhanced. The new SSP models by Thomas, Maraston & Bender (2002) which incorporate the dependence on alpha/Fe reproduce the Mg and Fe indices of GCs at all metallicities, with alpha/Fe=+0.3, which is in agreement with spectroscopic abundance determinations. The Balmer indices (Hbeta, Hdelta, Hgamma) are very well calibrated, provided the Horizontal Branch morphology is taken into account. In particular, we reproduce the Balmer lines of NGC 6388 and NGC 6441, which are metal-rich GCs with a tail of warm Horizontal Branch stars. {Abridged}

研究动机与目标

• 使用银河系核球球状星团，将简单星族（SSP）模型在从$Z \sim Z_\odot/30$到$Z \sim Z_\odot$的广泛金属丰度范围内进行合成Lick指数的校准。
• 解决长期以来椭圆星系中观测到的镁和铁指数与标准SSP模型假设太阳比例丰度时预测结果之间的不一致问题。
• 检验在核球星团和椭圆星系中观测到的Mg-Fe相关性是否可由$\alpha$-元素过量丰度解释，而非其他模型参数。
• 评估各种Lick指数作为星系际星族中丰度指标的可靠性，特别是在金属丰度较高和较低的区域。
• 评估水平分支形态和初始质量函数（IMF）对金属丰度较高星团中巴耳末线指数的影响。

提出的方法

• 利用银河系球状星团的综合光谱，包括金属丰度较高的核球星团（如NGC 6553、NGC 6528），将SSP模型校准范围扩展至太阳金属丰度。
• 将观测到的Lick指数（$\mathrm{Mg}_2$、$\langle\mathrm{Fe}\rangle$、$\mathrm{H}\beta$等）与包含$[\alpha/\mathrm{Fe}]$作为自由参数的SSP模型预测值进行比较。
• 探索模型参数空间，包括不同的恒星演化轨道、拟合函数和初始质量函数（IMF），以检验模型的唯一性。
• 通过在SSP合成中引入观测到的温暖水平分支恒星（如NGC 6388和NGC 6441中约10%）来模拟巴耳末线指数。
• 评估金属贫乏星族中镁指数对现今质量函数的敏感性，这是由于动力学质量分离效应所致。
• 使用$\mathrm{Mg}_2$–$\langle\mathrm{Fe}\rangle$图将椭圆星系、核球星团和球状星团在不同金属丰度下的观测趋势与模型预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过可变$[\alpha/\mathrm{Fe}]$比值的SSP模型再现金属丰度较高的球状星团和银河系核球中观测到的Lick指数？
• RQ2 为何假设太阳比例丰度的标准SSP模型在高金属丰度系统（如核球星团和椭圆星系）中无法再现Mg-Fe相关性？
• RQ3 观测到的早期型星族中$\alpha$-增强现象是否唯一由$[\alpha/\mathrm{Fe}]$变化解释，还是其他因素（如陡峭的IMF）也可能解释数据？
• RQ4 哪些Lick指数可作为星系际系统中$\alpha$-元素和铁峰元素丰度的可靠指标？
• RQ5 金属丰度较高的星团中巴耳末线指数在多大程度上受水平分支形态影响，且该影响能否被准确建模？

主要发现

• 核球球状星团和椭圆星系中观测到的Mg-Fe相关性，最佳由$[\alpha/\mathrm{Fe}] = +0.3$的SSP模型再现，而非太阳比例模型。
• 标准SSP模型在高金属丰度（$[Z/H] \gtrsim -0.7$）下失效，因其使用非$\alpha$-增强的盘族恒星模板，而低金属丰度模型的模板则是具有$\alpha$-增强的晕族恒星。
• 只有在模型中包含水平分支形态（包括约10%的温暖恒星）时，$\mathrm{H}\beta$和更高阶巴耳末线指数才能被准确再现。
• 极金属贫乏星族（$[Fe/H] \lesssim -1.8$）的镁指数主要由主序低质量恒星主导，因此对现今质量函数敏感，故作为金属丰度指标并不可靠。
• $\mathrm{Mg}_2$、$\mathrm{Mg}_1$、$\mathrm{Mg}\,b$、$\mathrm{TiO}_1$和$\mathrm{TiO}_2$是可靠的$\alpha$-元素指标，而Ca4455、NaD和Fe5782校准较差，不推荐使用。
• 椭圆星系中$[\alpha/\mathrm{Fe}]$比值随星系光度变化，从近太阳值增加至最质量星系中的$+0.4$，提示星形成持续时间与星系质量之间存在关联。