[论文解读] The photometric evolution of dissolving star clusters: II. Realistic models. Colours and M/L ratios

Peter Anders, H. J. G. L. M. Lamers+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 79被引用 22

一句话总结

本文提出了一种新一代的演化合成模型，该模型考虑了由于动力学质量分离和解体星团中低质量恒星的优先损失所导致的现实、随时间变化的质量函数演化。通过将N体模拟结果整合进GALEV合成代码，模型显示，星团的颜色随时间逐渐变红，亮度逐渐变暗，质量与光度比（M/L）与标准模型相比偏差最高达4倍，导致光度年龄测定中年龄被高估20%至200%。

ABSTRACT

Evolutionary synthesis models are the prime method to construct models of stellar populations, and to derive physical parameters from observations. One of the assumptions for such models so far has been the time-independence of the stellar mass function. However, dynamical simulations of star clusters in tidal fields have shown the mass function to change due to the preferential removal of low-mass stars from clusters. Here we combine the results from dynamical simulations of star clusters in tidal fields with our evolutionary synthesis code GALEV to extend the models by a new dimension: the total cluster disruption time. We reanalyse the mass function evolution found in N-body simulations of star clusters in tidal fields, parametrise it as a function of age and total cluster disruption time and use this parametrisation to compute GALEV models as a function of age, metallicity and the total cluster disruption time. We study the impact of cluster dissolution on the colour (generally, they become redder) and magnitude (they become fainter) evolution of star clusters, their mass-to-light ratios (off by a factor of ~2 -- 4 from standard predictions), and quantify the effect on the cluster age determination from integrated photometry (in most cases, clusters appear to be older than they are, between 20 and 200%). By comparing our model results with observed M/L ratios for old compact objects in the mass range 10^4.5 -- 10^8 Msun, we find a strong discrepancy for objects more massive than 10^7 Msun (higher M/L). This could be either caused by differences in the underlying stellar mass function or be an indication for the presence of dark matter in these objects. Less massive objects are well represented by the models. The models for a range of total cluster disruption times are available online. (shortened)

研究动机与目标

• 解决标准演化合成模型中假设初始质量函数（IMF）随时间保持不变的局限性，尽管已知在星团中存在动力学质量分离和低质量恒星的优先损失。
• 量化由于潮汐场中动力学演化导致的时间依赖质量函数，如何影响整体光度性质（如颜色、亮度和质量与光度比（M/L））的影响。
• 通过将现实的星团解体过程整合进合成模型，改进基于整体光度测量的年龄和质量估算。
• 解决观测到的古老、大质量致密天体的M/L比与模型预测之间的差异，特别是对于质量超过10^7 M⊙的星团，其观测到的M/L比显著高于模型预测。

提出的方法

• 从潮汐场中星团的N体模拟中推导出质量函数斜率演化的参数化表达式，将其表示为星团年龄和总解体时间的函数。
• 将时间依赖的质量函数参数化整合进GALEV演化合成代码，以计算不同金属丰度和解体时间下的合成光度。
• 利用所得模型计算星团在不同演化阶段的整体颜色、亮度和M/L比。
• 将模型预测与质量范围为10^4.5–10^8 M⊙的古老致密天体的观测M/L比进行比较，以检验模型的有效性。
• 评估滤波器组选择对年龄测定偏差的影响，特别评估对近红外滤波器的敏感性。
• 通过 http://www.phys.uu.nl/~anders/data/SSP_varMF/ 和 http://data.galev.org 向社区公开发布完整模型套件。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于动力学质量分离导致的时间依赖质量函数，如何影响星团的光度演化？
• RQ2 当标准演化合成模型假设初始质量函数固定不变时，其在多大程度上高估了星团年龄？
• RQ3 为何质量大于10^7 M⊙的古老致密天体的观测M/L比显著高于标准模型的预测？
• RQ4 不同光度滤波器组如何影响解体星团中年龄和质量估算的准确性？
• RQ5 星团解体时间在塑造星团时间依赖的M/L比和颜色演化中起什么作用？

主要发现

• 由于蓝主序星的逐渐耗尽，星团颜色随时间逐渐变红，且在解体时间较短的模型中该效应更为显著。
• 亮度演化导致星团变暗，新模型由于质量损失更平缓，预测的亮度比标准模型更高，从而将M/L比降低20%至40%。
• 模型中的质量与光度比与标准预测相比偏差最高达4倍，最大偏差出现在解体的早期和晚期阶段。
• 光度年龄估算的误差可达20%至200%，最大误差（最高达2至3倍）出现在使用包含近红外波段的滤波器组时。
• 模型表明，在星团解体时间最后16%期间，M/L比超过标准值，因为恒星残骸主导了质量预算。
• 对于质量超过10^7 M⊙的大质量致密天体，观测到的M/L比显著高于模型预测，表明初始质量函数可能非标准，或存在暗物质。