[论文解读] The Formation History of the Ultra-Faint Dwarf Galaxies

T. M. Brown, Jason Tumlinson+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜对六个极端暗淡矮星系的测光数据，重建其恒星形成历史，发现这些星系主要由年龄超过120亿年的恒星主导，并表现出高度同步的形成时期。结果支持再电离过程抑制了这些星系中恒星形成的假设，使其成为早期宇宙的化石遗迹，为Λ冷暗物质模型中的缺失卫星问题提供了解决方案。

ABSTRACT

We present early results from a Hubble Space Telescope survey of the ultra-faint dwarf galaxies. These Milky Way satellites were discovered in the Sloan Digital Sky Survey, and appear to be an extension of the classical dwarf spheroidals to low luminosities, offering a new front in the efforts to understand the missing satellite problem. Because they are the least luminous, most dark matter dominated, and least chemically evolved galaxies known, the ultra-faint dwarfs are the best candidate fossils from the early universe. The primary goal of the survey is to measure the star-formation histories of these galaxies and discern any synchronization due to the reionization of the universe. We find that the six galaxies of our survey have very similar star-formation histories, and that each is dominated by stars older than 12 Gyr.

研究动机与目标

• 以小于10亿年的年龄精度测量极端暗淡矮星系（UFD）的恒星形成历史（SFH）。
• 检验UFD的SFH是否如再电离驱动的恒星形成抑制所预测的那样高度同步。
• 评估再电离在熄灭低质量暗物质晕中恒星形成过程中的作用。
• 确定UFD是否为恒星形成极早发生、化学演化极轻微的化石星系。
• 研究这些古老、暗物质主导的系统中的初始质量函数（IMF）特性。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜的ACS和WFC3仪器，在F606W和F814W滤光片下获取深空测光数据，以获得高精度的颜色-星等图（CMD）。
• 将HST测光数据与凯克望远镜/DEIMOS光谱数据结合，为每个星系推导出金属度分布函数（MDF），以打破年龄-金属度的退化问题。
• 采用高保真度等离子体演化模型，覆盖低金属度（[Fe/H] = -4）并更新物理参数，拟合观测到的CMD。
• 通过与古老球状星团M92的实测对比，利用主序拐点与水平分支的星等差异锚定年龄估计。
• 将全部六个UFD星系对齐至猎户座星系参考系，进行复合CMD分析，以评估恒星形成历史的相似性。
• 通过迭代SFH拟合，同时优化成员星概率和[O/Fe]的变异，以评估晚期恒星形成的潜在影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 极端暗淡矮星系的恒星形成历史是否在约10亿年内高度同步，如再电离等共同物理触发机制所预期？
• RQ2 极端暗淡矮星系中主导恒星族群的平均年龄是多少？其与球状星团等其他古老系统相比如何？
• RQ3 金属度分布函数中少量富金属星（[Fe/H] > -2）的存在在多大程度上表明存在后期爆发恒星形成或场星污染？
• RQ4 UFD中的初始质量函数是否与银河系场星或明亮矮星系中的IMF存在差异？
• RQ5 观测到的CMD形态是否支持UFD为在再电离之前形成的化石星系的假设？

主要发现

• 样本中全部六个极端暗淡矮星系的恒星均以年龄超过120亿年的恒星为主导，过去约100亿年中未发生显著恒星形成。
• 六个UFD的恒星形成历史在约10亿年内高度同步，表现为将所有星系对齐至猎户座参考系后，CMD几乎无法区分。
• 主序拐点与水平分支之间的星等差值与约127.5亿年的平均年龄一致，与球状星团M92的年龄相当。
• 金属度分布函数中存在少量富金属星（[Fe/H] > -2），表明可能存在场星污染或极有限的晚期恒星形成。
• 在前两个分析的星系（猎户座和狮子座IV）中，初始质量函数比银河系场星或明亮矮星系更平坦，表明低金属度环境下IMF可能存在差异。
• 所有六个星系CMD形态高度一致，类似于古老球状星团，支持其为化学演化极轻微的化石星系。