[论文解读] The colour-magnitude relation of Globular Clusters in Centaurus and Hydra - Constraints on star cluster self-enrichment with a link to massive Milky Way GCs

Jérémy Fensch, Steffen Mieske+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 73被引用 4

一句话总结

本研究利用对约2,500个球状星团的深度U和I波段测光，调查了半人马座和天龙座星系团中金属贫乏球状星团（GCs）的色-星等关系（蓝倾斜）。结果表明，自富集模型中的原初质量-半径标度显著改善了与观测到的质量-金属度关系的一致性，表明像ω Cen这样的大质量银河系球状星团中金属度分布的展宽可自然地由自富集过程产生，而无需假定其起源于矮星系前身体。

ABSTRACT

We investigate the colour-magnitude relation of metal-poor globular clusters, the 'blue tilt', in the Hydra and Centaurus galaxy clusters and constrain the primordial conditions for star cluster self-enrichment. We analyse U,I photometry for about 2500 globular clusters in the central regions of Hydra and Centaurus, based on FORS1@VLT data. We convert the measured colour-magnitude relations into mass-metallicity space and obtain a scaling of Z \propto M^{0.27 \pm 0.05} for Centaurus GCs and Z \propto M^{0.40 \pm 0.06} for Hydra GCs, consistent with results in other environments. We find that the GC mass-metallicity relation already sets in at present-day masses of a few 10^5 solar masses and is well established in the luminosity range of massive MW clusters like omega Centauri. We compare the mass-metallicity relation with predictions from the star cluster self-enrichment model by Bailin & Harris (2009). For this we include effects of dynamical and stellar evolution and a physically well motivated primordial mass-radius scaling. The self-enrichment model reproduces the observed relations well for average primordial half-light radii r_h ~ 1-1.5 pc, star formation efficiencies f_* ~ 0.3-0.4, and pre-enrichment levels of [Fe/H] ~ -1.7 dex. Within the self-enrichment scenario, the observed blue tilt implies a correlation between GC mass and width of the stellar metallicity distribution. We find that this implied correlation matches the trend of width with GC mass measured in Galactic GCs, including extreme cases like omega Cen and M54. We conclude that 1. A primordial star cluster mass-radius relation provides a significant improvement to the self-enrichment model fits. 2. Broadenend metallicity distributions as found in some massive MW globular clusters may have arisen naturally from self-enrichment processes, without the need of a dwarf galaxy progenitor.

研究动机与目标

• 利用河外球状星团系统的色-星等关系（蓝倾斜）约束恒星星团自富集的原初条件。
• 检验观测到的质量-金属度标度是否能通过具有现实初始特性的自富集模型来解释。
• 研究原初星团大小（半径）和恒星形成效率在塑造蓝倾斜中的作用。
• 评估半人马座与天龙座之间蓝倾斜的空间差异是否源于星团中心集中度的差异或内在原初参数的不同。
• 确定像ω Cen这样的大质量银河系球状星团中宽金属度分布是否可仅通过自富集过程重现，而无需引入矮星系前身体。

提出的方法

• 利用VLT的FORS1获取的深度U和I波段测光数据，测量了半人马座和天龙座约2,500个球状星团候选体的平均颜色和绝对星等。
• 通过假设恒星种群年龄为11–13 Gyr，将色-星等关系转换为质量-金属度空间，使用TERAMO恒星种群合成模型。
• 将观测到的质量-金属度标度与Bailin & Harris（2009）的自富集模型预测进行比较，包括恒星和动力学演化的影响。
• 将Gieles等人（2010）提出的物理解释性原初质量-半径标度引入模型，以检验其对拟合数据的影响。
• 通过调节关键参数（平均半光半径 $ r_h $、恒星形成效率 $ f_\star $、预富集水平和表面密度分布）来调整模型，使其与观测到的蓝倾斜斜率一致。
• 探讨参数之间的退化关系，以识别能重现观测关系的物理解释性参数组合。

实验结果

研究问题

• RQ1 半人马座和天龙座球状星团中观测到的蓝倾斜是否反映了与自富集一致的质量-金属度关系？该关系在何种质量尺度下开始显现？
• RQ2 在自富集模型中引入原初质量-半径关系后，对观测到的球状星团色-星等关系的拟合效果如何改善？
• RQ3 半人马座与天龙星座之间蓝倾斜强度的差异是否可通过原初星团大小或恒星形成效率的变化来解释？
• RQ4 像ω Cen这样的大质量银河系球状星团中观测到的宽金属度分布是否为自富集的自然结果，还是必须依赖于外部起源（如矮星系前身体）？
• RQ5 星团在星系核心区域的空间集中度是否影响观测到的蓝倾斜？如果是，其机制如何？

主要发现

• 在半人马座和天龙座中均确认存在蓝倾斜，其斜率分别为 $ \gamma = -0.057 \pm 0.011 $ 和 $ \gamma = -0.081 \pm 0.012 $，表明蓝星团存在显著的色-星等关系。
• 观测到的质量-金属度标度在半人马座为 $ Z \propto M^{0.27 \pm 0.05} $，在天龙座为 $ Z \propto M^{0.40 \pm 0.06} $，与先前文献测量结果一致。
• 引入原初质量-半径标度（Gieles et al. 2010）后，模型与数据的残差减小了一半，显著改善了自富集模型的拟合效果。
• 最佳拟合模型参数为 $ r_h \sim 1-1.5 $ pc，$ f_\star \sim 0.3-0.4 $，预富集水平为 $[Fe/H] \approx -1.7$ dex，且表面密度分布为等温球体形式。
• 天龙座中更强的蓝倾斜可由以下任一条件解释：在固定 $ f_\star \approx 0.3 $ 时，平均 $ r_h $ 减小约30%；或在固定 $ r_h \approx 1.5 $ pc 时，$ f_\star $ 减小约20%。
• 银河系球状星团中观测到的 $ M_V $ 与 $ \sigma_{[Fe/H]} $ 趋势与基于半人马座球状星团推导出的自富集模型一致，表明像ω Cen这样的大质量球状星团中宽金属度展宽可完全由自富集过程产生。