[论文解读] New Surface Brightness Fluctuations Spectroscopic Technique: NGC4449 and its Stellar Tidal Stream

Elisa Toloba, Puragra Guhathakurta+6 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 70被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的光谱技术，旨在通过红巨星星等的表面亮度涨落来测量银河系之外低表面亮度星系和星流的径向速度与金属量。该方法应用于距离380万光年外的NGC 4449及其潮汐星流，结果显示这两个系统具有相近的太阳系速度（227.3 ± 10.7 km s⁻¹ 和 225.8 ± 16.0 km s⁻¹），星流的金属量为[Fe/H] = −1.37 ± 0.41，与本星系系矮星系的关系一致。

ABSTRACT

We present a new spectroscopic technique based in part on targeting the upward fluctuations of the surface brightness for studying the internal stellar kinematics and metallicities of low surface brightness galaxies and streams beyond the Local Group. The distance to these systems makes them unsuitable for targeting individual red giant branch (RGB) stars (tip of RGB at $I\gtrsim24$~mag) and their surface brightness is too low ($μ_r\gtrsim 25$~mag~arcsec$^{-2}$) for integrated light spectroscopic measurements. This technique overcomes these two problems by targeting individual objects that are brighter than the tip of the RGB. We apply this technique to the star-forming dwarf galaxy NGC 4449 and its stellar stream. We use Keck/DEIMOS data to measure the line-of-sight radial velocity out to $\sim7$~kpc in the East side of the galaxy and $\sim8$~kpc along the stream. We find that the two systems are likely gravitationally bound to each other and have heliocentric radial velocities of $227.3\pm10.7$~km/s and $225.8\pm16.0$~km/s, respectively. Neither the stream nor the near half of the galaxy shows a significant velocity gradient. We estimate the stellar metallicity of the stream based on the equivalent width of its Calcium triplet lines and find [Fe/H]~$=-1.37\pm0.41$, which is consistent with the metallicity-luminosity relation for Local Group dwarf galaxies. Whether the stream's progenitor was moderately or severely stripped cannot be constrained with this metallicity uncertainty. We demonstrate that this new technique can be used to measure the kinematics and (possibly) the metallicity of the numerous faint satellites and stellar streams in the halos of nearby ($\sim 4$~Mpc) galaxies.

研究动机与目标

• 解决在本星系系之外研究低表面亮度星系与星流的挑战，因为单个恒星太暗而无法进行光谱观测，且由于表面亮度过低，积分光方法也失效。
• 通过聚焦于红巨星星等之上的明亮涨落源，克服传统分辨恒星与积分光光谱法的局限。
• 实现对如矮星卫星与星流等暗淡、弥散系统在本地宇宙中的动力学与金属量测量。
• 为检验ΛCDM宇宙学提供一条路径，通过研究本星系系晕中的亚结构，解决如“缺失卫星问题”等矛盾。
• 在NGC 4449及其星流上展示该技术的可行性，为未来研究类似系统提供模板。

提出的方法

• 选取比红巨星星等更亮的单个恒星源（I ≳ 23.5 mag），由于空间聚集或演化恒星的存在，这些源表现为表面亮度涨落。
• 利用凯克/DEIMOS获取这些涨落源的高分辨率光谱，以测量视线径向速度。
• 将涨落源的个体光谱叠加，以获得类似积分光的性质，从而通过钙三重线（CaT）等效宽度估算金属量。
• 应用CaT等效宽度的经验校准，估算[Fe/H]金属量，假设为年龄较老的恒星种群，且中间年龄AGB星污染可忽略。
• 通过比较星系与星流之间的径向速度分布与中位速度，评估引力束缚状态。
• 利用昴星团望远镜的测光数据，定义目标系统的空间范围与表面亮度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种新的光谱技术能否克服传统方法在研究本星系系之外低表面亮度星系与星流时的局限？
• RQ2 基于径向速度的一致性，星流与星系NGC 4449是否为引力束缚系统？
• RQ3 星流的金属量是多少？与本星系系矮星系的金属量-光度关系相比如何？
• RQ4 该技术能否可靠地测量在单个恒星过暗、积分光又过暗的系统中的动力学与金属量？
• RQ5 所测得的金属量对星流原初星系的质量与剥离历史有何约束？

主要发现

• NGC 4449东部的径向速度为227.3 ± 10.7 km s⁻¹，星流的速度为225.8 ± 16.0 km s⁻¹，表明两者可能为引力束缚系统。
• 在星系或星流中未检测到显著的速度梯度，表明系统可能处于动力学松弛状态或演化缓慢。
• 星流的金属量为[Fe/H] = −1.37 ± 0.41，与本星系系矮星系观测到的金属量-光度关系一致。
• 金属量的较大不确定性使得无法明确判断星流的原初星系是典型的本星系系矮星系，还是更高质量、严重剥离的系统。
• 该技术成功测量了距离380万光年处系统的径向速度与金属量，而传统分辨恒星光谱法在此距离不可行，积分光又过暗。
• 该方法适用于邻近星系中的暗淡卫星与星流，如PISCeS巡天与M81星系群中的系统，可为未来动力学与化学建模提供支持。