[论文解读] New theoretical Period-Luminosity-Metallicity relations for RR Lyrae in the Rubin-LSST filters

M. Marconi, R. Molinaro+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用 10

一句话总结

本文基于非线性湍流脉动模型，首次推导出鲁宾-LSST测光滤光片中RR Lyrae星的理论周期-光度-金属量（PLZ）关系。该研究预测了在r、i、z和y滤光片中的金属量依赖性PLZ关系，以及周期-韦森海特（PW）关系和gLSST−[Fe/H]关系，一旦已知单个金属量，即可实现精确的消光无关距离测量，F模脉动星的金属量系数约为~0.2 mag/dex。

ABSTRACT

The revolutionary power of future Rubin-LSST observations will allow us to significantly improve the physics of pulsating stars, including RR Lyrae. In this context, an updated theoretical scenario predicting all the relevant pulsation observables in the corresponding photometric filters is mandatory. The bolometric light curves based on a recently computed extensive set of nonlinear convective pulsation models for RR Lyrae stars, covering a broad range in metal content and transformed into the Rubin-LSST photometric system. Predicted Rubin-LSST mean magnitudes and pulsation amplitudes have been adopted to built the Bailey diagrams (luminosity amplitude vs period) and the color-color diagrams in these bands. The current findings indicate that the gLSST-rLSST, rLSST-iLSST colors obey to a well defined linear relation with the metal content. Moreover, the Period Luminosity relations display in the reddest filters (rLSST,iLSST,zLSST,yLSST) a significant dependence on the assumed metal abundance. In particular, more metal-rich RR Lyrae are predicted to be fainter at fixed period. Metal-dependent Period-Wesenheit relations for different combinations of optical and NIR filters are also provided. These represent powerful tools to infer individual distances independently of reddening uncertainties, once the metal abundance is known and no relevant deviations from the adopted extinction law occur. Finally, we also derived new linear and quadratic absolute magnitude metallicity relations (gLSST vs [Fe/H]) and the metallicity coefficient is consistent with previous findings concerning the B and the V band.

研究动机与目标

• 在鲁宾-LSST滤光片中发展理论脉动可观测量，以支持未来高精度测光巡天。
• 建立RR Lyrae星在r、i、z和y LSST波段中的金属量依赖性周期-光度-金属量（PLZ）关系。
• 利用光学与近红外滤光片组合推导周期-韦森海特（PW）关系，以实现消光无关的距离估计。
• 首次为覆盖广泛金属量范围的RR Lyrae星提供gLSST−[Fe/H]关系的线性和二次形式理论结果。
• 通过结合周期、星等和光谱金属量，实现银河系及河外RR Lyrae星的精确个体距离测量。

提出的方法

• 利用不同金属量（Z = 0.0001 至 0.0200）和质量的RR Lyrae星的全面非线性湍流脉动模型。
• 使用合成滤光片转换方法，将这些模型的黑体光曲线转换为鲁宾-LSST测光系统。
• 计算u、g、r、i、z和y滤光片中基 mode（F）和第一谐频（FO）脉动模式的强度加权平均星等与脉动振幅。
• 构建Bailey图（光度与周期关系）和颜色-颜色图，以分析周期-振幅关系与颜色-金属量关系。
• 推导出在r、i、z和y滤光片中的理论PLZ关系，显示显著的金属量依赖性，尤其在红端波段更为明显。
• 利用多种滤光片组合（如g−r、r−i、z−y）生成周期-韦森海特（PW）关系，以最小化消光依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 RR Lyrae星在鲁宾-LSST r、i、z和y滤光片中的周期-光度-金属量（PLZ）关系如何表现？其对金属量的依赖性如何？
• RQ2 在LSST系统中，不同光学与近红外滤光片组合的周期-韦森海特（PW）关系对金属量的依赖性如何？
• RQ3 RR Lyrae星的gLSST星等与[Fe/H]之间有何相关性？该关系在整个金属量范围内是线性还是二次的？
• RQ4 金属量不确定性对基于PLZ关系推导的个体距离估计有何影响？如何减轻该影响？
• RQ5 LSST滤光片中预测的颜色-颜色图如何反映金属量和脉动模式（F与FO）的差异？

主要发现

• gLSST−rLSST和rLSST−iLSST颜色与金属量之间存在明确的线性关系，可仅通过测光实现金属量估算。
• 在r、i、z和y滤光片中的PLZ关系表现出显著的金属量依赖性，金属量越高的RR Lyrae星在固定周期下显得更暗。
• 使用g−r和r−i等滤光片组合的周期-韦森海特（PW）关系几乎与金属量无关，使其成为无消光距离估计的理想工具。
• gLSST−[Fe/H]关系中的金属量系数与以往V波段研究结果一致，F模脉动星的线性系数约为~0.2 mag/dex。
• 若假设的平均金属量与真实值存在偏差，系统性距离误差可达~0.2 mag/dex，凸显了获取个体光谱金属量的必要性。
• FO模脉动星在PLZ和PW关系中的金属量依赖性较弱（约~0.1 mag/dex），即使存在金属量不确定性，也具有较强的可靠性，适用于距离测量。