[论文解读] The Future of IMF studies with the ELT and MICADO I: The local Universe as a resolved IMF laboratory

Kieran Leschinski, J. Alves|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用 3

一句话总结

本文表明，极大望远镜（ELT）上的MICADO仪器将能够解析本地宇宙中密集年轻星团的恒星初始质量函数（IMF），在大麦哲伦云中探测到低至0.1 M⊙的恒星，并可对距离达5 Mpc的超过1,500个星团直接测量Salpeter幂律指数。MICADO的分辨能力比哈勃望远镜强100倍，可探测的星团密度是哈勃的100倍以上、詹姆斯·韦伯空间望远镜的100倍以上，使本地宇宙成为研究IMF普适性的解析实验室。

ABSTRACT

Aims. In this work we aim to estimate the lowest stellar mass that MICADO at the ELT will be able to reliably detect given a stellar density and distance. We also show that instrumental effects that will play a critical role, and report the number of young clusters that will be accessible for IMF studies in the local Universe with the ELT. Methods. We used SimCADO, the instrument simulator package for the MICADO camera, to generate observations of 56 dense stellar regions with densities similar to the cores of young stellar clusters. We placed the cluster fields at distances between 8 kpc and 5 Mpc from the Earth, implying core densities from 10^2 to 10^5 stars arcsec^-2, and determined the lowest reliably observable mass for each stellar field through point-spread function (PSF) fitting photometry. Results. Our results show that stellar densities of <10^3 stars arcsec^-2 will be easily resolvable by MICADO. The lowest reliably observable mass in the Large Magellanic Cloud will be around 0.1 Msun for clusters with densities <10^3 stars arcsec^-2. MICADO will be able to access the stellar content of the cores of all dense young stellar clusters in the Magellanic Clouds, allowing the peak and shape of the IMF to be studied in great detail outside the Milky Way. At a distance of 2 Mpc, all stars with M > 2 Msun will be resolved in fields of <10^4 stars arcsec^-2 , allowing the high-mass end of the IMF to be studied in all galaxies out to and including NGC300.

研究动机与目标

• 确定MICADO在本地宇宙中不同距离和密度的密集年轻星团中可探测到的最低恒星质量。
• 评估在不同恒星密度和距离条件下，点扩散函数（PSF）拟合等仪器效应的限制。
• 估算银河系及邻近星系中可用于ELT直接IMF研究的可访问年轻星团数量。
• 评估MICADO在银河系以外区域探测IMF形状和斜率的能力，特别是在低质量和大质量恒星区域。
• 通过在不同环境中对大量多样化星团进行解析IMF测量，测试IMF普适性。

提出的方法

• 使用SimCADO（MICADO仪器仿真器）生成56个核心恒星密度为10²至10⁵颗/平方角秒的密集星场的合成观测数据。
• 星团模拟距离范围为8 kpc至5 Mpc，覆盖从银河系到M31和NGC 300等邻近星系的本地宇宙范围。
• 通过PSF拟合测光法确定恒星质量极限，以评估每个模拟场中可可靠探测到的最低质量。
• 分析重点为在大麦哲伦云中探测到低至0.1 M⊙的恒星，以及在2 Mpc距离处探测到高于2 M⊙的恒星，覆盖不同星团密度条件。
• 研究基于Portegies Zwart等人（2010年）观测到的星团参数（年龄、质量、核心半径）定义真实输入场。
• 利用星形成率（SFR）数据和星团目录估算可观测星团数量，筛选出位于ELT赤纬窗口内的可见星团。

实验结果

研究问题

• RQ1 ELT上的MICADO在不同距离和密度的密集年轻星团中，可可靠探测到的最低恒星质量是多少？
• RQ2 在本地宇宙中，ELT的MICADO将能访问多少个年轻、密集的星团以进行解析IMF研究？
• RQ3 MICADO在距离达5 Mpc的河外星团中，能在多大程度上解析IMF的高质质量端（M > 2 M⊙）？
• RQ4 MICADO能否实现对银河系以外星团IMF Salpeter幂律的直接测量？可访问的此类星团有多少？
• RQ5 MICADO在探测密集星团核心以进行IMF研究方面，其分辨能力与哈勃望远镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜相比如何？

主要发现

• MICADO将能解析密度高达10⁵颗/平方角秒的恒星团，其能力超过哈勃望远镜100倍以上，超过詹姆斯·韦伯空间望远镜10倍以上。
• 在大麦哲伦云（50 kpc）中，当星团密度低于10³颗/平方角秒时，MICADO将能可靠探测到低至0.1 M⊙的恒星。
• 在2 Mpc的距离上，当星场恒星密度低于10⁴颗/平方角秒时，所有质量高于2 M⊙的恒星都将被解析。
• MICADO将使对距离达5 Mpc的超过1,500个年轻星团的IMF Salpeter幂律斜率实现直接测量。
• 该仪器将能访问大、小麦哲伦云中所有密集年轻星团的恒星成分，使人们能够详细研究银河系以外区域IMF的峰值和形状。
• 尽管MICADO无法探测银河系以外区域的棕矮星区域（M < 0.1 M⊙），但它将能解析银河系和大、小麦哲伦云中超过1,000个年轻星团的IMF。