[论文解读] The Star Formation History of a Post-Starburst Galaxy Determined From Its Cluster Population

Rupali Chandar, Angus Mok+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用 7

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜UBR成像获取的S12后星暴星系的分辨星团群体，确定了其恒星形成历史。通过将星团的光度和颜色与恒星群体模型对比，发现约1.2亿年前发生了一次近期且极为强烈的恒星形成爆发，峰值恒星形成率为500+500/−250 M⊙yr−1，持续约5000万年，且无当前恒星形成活动，从而对复合星光拟合结果提供了直接、独立的验证，并揭示了此前一次中等强度的爆发（约10亿至30亿年前）。

ABSTRACT

The recent star formation histories (SFHs) of post-starburst galaxies have been determined almost exclusively from detailed modeling of their composite star light. This has provided important but limited information on the number, strength, and duration of bursts of star formation. In this work, we present a direct and independent measure of the recent SFH of S12 (plate-mjd-fiber for SDSS 623-52051-207; designated EAS12 in Smercina et al. 2018) from its star cluster population. We detect clusters from high resolution, $UBR$ optical observations from HST, and compare their luminosities and colors with stellar population models to estimate the ages and masses of the clusters. No clusters younger than $\sim$70 Myr are found, indicating star formation shut off at this time. Clusters formed $\sim$120 Myr ago reach masses up to $\sim \mbox{few} imes10^7~M_{\odot}$, several times higher than similar age counterparts formed in actively merging galaxies like the Antennae and NGC 3256. We develop a new calibration based on known properties for 8 nearby galaxies to estimate the star formation rate (SFR) of a galaxy from the mass of the most massive cluster, $M_{ m max}$. The cluster population indicates that S12 experienced an extremely intense but short-lived burst $\sim$120 Myr ago, with an estimated peak of $500^{+500}_{-250}~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$ and duration of $50\pm25$ Myr, one of the highest SFRs estimated for any galaxy in the nearby universe. Prior to the recent, intense burst, S12 was forming stars at a moderate rate of $\sim 3{-}5~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$, typical of spiral galaxies. However, the system also experienced an earlier burst approximately $1{-}3$ Gyr ago. While fairly uncertain, we estimate that the SFR during this earlier burst was $\sim20{-}30~M_{\odot}~\mbox{yr}^{-1}$, similar to the current SFR in the Antennae and NGC 3256.

研究动机与目标

• 通过星团群体而非仅依赖复合星光建模，独立测定后星暴星系S12的近期恒星形成历史。
• 检验分辨星团的光度与颜色是否能为后星暴星系中过去恒星形成爆发的持续时间、强度和时间提供稳健约束。
• 建立最亮星团质量（Mmax）与星系恒星形成率（SFR）之间关系的新校准，使仅凭星团数据即可估算SFR。
• 调查S12中是否存在并研究较老的中等年龄星团群体，以重建过去约30亿年的完整恒星形成历史。
• 通过高分辨率HST成像直接测量星团年龄与质量，解决复合星光拟合与星团估算之间的差异。

提出的方法

• 从哈勃空间望远镜档案中获取S12及其伴星的高分辨率UBR光学成像。
• 使用Photutils软件包对HST图像进行点源检测与测光，测量U、B和R波段的星团亮度。
• 将观测到的星团颜色与光度与Bruzual & Charlot（2003）单星族模型的预测进行比较，以估算各星团的年龄与质量。
• 利用8个具有已知SFR和星团群体的邻近星系，建立Mmax与SFR之间关系的新校准。
• 利用Mmax–SFR校准估算S12在不同时间区间的SFR，特别关注近期爆发及早期事件。
• 分析不同年龄星团的空间分布，推断动力学演化与并合历史，并检查斯皮策IRS光谱，以排除8 µm波峰区域存在隐藏的、被遮蔽的恒星形成活动。

实验结果

研究问题

• RQ1 后星暴星系S12的近期恒星形成历史如何？是否可直接从其分辨星团群体中测量得出？
• RQ2 S12中的恒星形成率如何随时间变化，特别是在剧烈爆发及此前中等强度事件期间？
• RQ3 最亮星团质量（Mmax）是否可可靠用于估算星系的峰值恒星形成率？该校准在极端爆发情况下是否成立？
• RQ4 在8 µm发射较强的区域是否存在正在进行或隐藏的恒星形成活动？斯皮策光谱是否证实或排除此类活动？
• RQ5 基于星团的结果与S12综合光的先前复合星光拟合结果相比如何？

主要发现

• 未检测到年龄小于约7000万年的星团，将当前恒星形成率上限设为< 0.05 M⊙yr−1。
• 最强烈的恒星形成爆发发生于约1.2亿年前，峰值恒星形成率为500+500/−250 M⊙yr−1，持续约50±25 Myr，为本地宇宙中测得的最高SFR之一。
• 约1亿年前，恒星形成率下降至~65+65/−33 M⊙yr−1，约7000万年前进一步降至~13+13/−6 M⊙yr−1，此后被突然截断。
• 在近期爆发之前，S12以约3–5 M⊙yr−1的中等速率形成恒星，符合宁静旋涡星系的典型特征。
• 更早的中等年龄星团群体形成于约10亿至30亿年前，恒星形成率估计为~20–30 M⊙yr−1，与当前并合星系（如双鼠星系和NGC 3256）相似。
• 年轻星团在星系中心区域的空间集中支持其起源于并合过程，且8 µm波峰处的斯皮策光谱未显示电离气体发射，排除了深层嵌入式恒星形成活动的存在。