[论文解读] Massive star formation in Wolf-Rayet galaxies. III: Analysis of the O and WR populations

Á. R. López-Sánchez, C. Esteban|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 83被引用 39

一句话总结

本研究利用多波段光谱分析20个沃尔夫-拉叶星系中O型星和沃尔夫-拉叶（WR）星的星族，所有20个区域均检测到蓝端WR特征（He ii λ4686），其中6个区域检测到红端WR特征（C iv λ5808）。研究发现，金属丰度依赖的WR星亮度可使低金属丰度下WR星计数更高，且WCE/WNL比值显著高于宁静星暴星系中的值，表明其经历了一段极短而强烈的星暴历史。

ABSTRACT

(Abridged) We perform a comprehensive multiwavelength analysis of a sample of 20 starburst galaxies that show the presence of a substantial population of Wolf-Rayet (WR) stars. In this paper we present the analysis of the O and WR star populations. We study the spatial localization of the WR-rich clusters via the detection of the blue WR bump (broad He II 4686) and the red WR bump (broad C IV 5808). We perform a detailed fitting of the nebular and broad emission lines within these broad features and derive the numbers of WN, WC and O stars using (i) the standard assumption of constant WR luminosities and (ii) considering metallicity-dependent WR luminosities. We then compare our results with the predictions given by evolutionary synthesis models and with previous empirical results. Aperture effects and the exact positioning of the slit onto the WR-rich bursts play a fundamental role in their detection. As expected, the total number of WR stars increases with increasing metallicity, but objects with 12+log(O/H)<8.2 show a rather constant WR/(WR+O) ratio. The computed WCE/WNL ratios are different than those empirically found in nearby star-forming galaxies, indicating that the observed galaxies are experiencing a strong and very short burst. Considering metallicity-dependent WR luminosities, our data agree with a Salpeter-like IMF in all regimes. We consider that the contribution of the WCE stars is not negligible at low metallicities. Although available models reproduce fairly well the WR properties at high metallicities, new evolutionary synthesis models for young starbursts including all involved parameters (age, metallicity, star-formation history, IMF and WR stars properties such as metallicity-dependent WR luminosities, stellar rotation and the WR binnary channel) are absolutely needed to perform an appropriate comparison with the observational data.

研究动机与目标

• 理解沃尔夫-拉叶星系中O型星和WR星的星族特征，这些星系是极端星暴系统。
• 利用观测数据，确定金属丰度对WR星亮度和星数的影响。
• 将观测到的WR星与O型星比率与理论模型进行比较，尤其在不同恒星形成历史和初始质量函数（IMF）假设下。
• 评估标准恒定亮度WR模型与金属丰度依赖模型在重现观测发射线强度方面的可靠性。

提出的方法

• 利用位于拉帕拉玛的NOT、INT和WHT望远镜的数据，对20个星暴星系进行光谱分析。
• 检测并拟合蓝端WR特征（He ii λ4686）和红端WR特征（C iv λ5808）中的宽发射线，以分离WN星和WC星的贡献。
• 同时拟合WR特征中的电离气体成分和宽发射成分，包括电离气体He ii λ4686。
• 采用两种方法推导O型星、WN星和WC星的数量：恒定WR星亮度与金属丰度依赖的亮度（CH06）。
• 将观测到的WR/O和WCE/WNL比值与SV98和SB99演化合成模型的预测进行比较。
• 利用金属丰度依赖的WR星亮度和He ii λ4686强度，经验估算WNL/(WNL+O)比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用金属丰度依赖的WR星亮度时，沃尔夫-拉叶星系中O型星、WN星和WC星的数量如何随金属丰度变化？
• RQ2 为何红端WR特征（C iv λ5808）的检测频率低于蓝端WR特征（He ii λ4686）？哪些因素影响其可探测性？
• RQ3 观测到的WR/O和WCE/WNL比值与标准演化合成模型（如SV98和SB99）的预测相比如何？
• RQ4 金属丰度依赖的WR星亮度在多大程度上改善了观测值与模型值之间WR发射线强度的一致性？
• RQ5 观测到的WR星比率对这些星系的恒星形成历史（尤其是低金属丰度下）有何启示？

主要发现

• 蓝端WR特征（He ii λ4686）在所有20个观测区域中均被检测到，而红端WR特征（C iv λ5808）仅在6个区域中被检测到，主要受孔径效应和狭缝位置影响。
• 在21个区域中检测到电离气体He ii λ4686线，其强度随金属丰度升高而显著降低，证实了低金属丰度下电离度更高的趋势。
• 使用金属丰度依赖的WR星亮度时，推导出的WNL/(WNL+O)比值在12+log(O/H) < 8.2的星系中保持约0.03–0.04的恒定值，表明低金属丰度下WR/(WR+O)比值可能存在平坦化趋势。
• 在低金属丰度下，WCE星的贡献不可忽视，但因金属丰度降低导致WR星亮度下降，需更深度的观测才能探测到红端WR特征。
• 这些星暴星系中观测到的WCE/WNL比值显著高于邻近星暴星系中的值，表明其经历的是极短而强烈的星暴历史，而非持续的恒星形成。
• 当假设恒定亮度时，SV98和SB99模型在低金属丰度下无法重现观测到的WR线强度，但采用金属丰度依赖的亮度后，模型与观测的一致性显著改善，支持所有金属丰度下均存在类似萨尔皮特初始质量函数（IMF）的假设。