[论文解读] The survey of planetary nebulae in Andromeda (M 31)

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 86被引用 32

一句话总结

本研究利用M31内晕次结构中行星状星云（PNe）的深窄线[O iii] 5007Å巡天，通过行星状星云光度函数（PNLF）约束其起源。结果发现，PNLF的明亮截止星等（M*）和暗端斜率在不同区域间显著变化：巨流（Giant Stream）与NE-搁架（NE-Shelf）与卫星碎片一致，G1-克隆（G1-Clump）与具有年轻恒星的前并合盘有关，而流-D（Stream-D）则指示了一次独立的吸积事件。结果支持约2–3 Gyr前的一次主要并合事件是大多数次结构的起源，且PNLF的暗端主要由较老恒星种群的行星状星云填充。

ABSTRACT

Context. The age–velocity dispersion relation is an important tool to understand the evolution of the disc of the Andromeda galaxy (M 31) in comparison with the Milky Way. Aims. We use planetary nebulae (PNe) to obtain the age–velocity dispersion relation in different radial bins of the M 31 disc. Methods. We separate the observed PNe sample based on their extinction values into two distinct age populations in the M 31 disc. The observed velocities of our high- and low-extinction PNe, which correspond to higher- and lower-mass progenitors, respectively, are fitted in de-projected elliptical bins to obtain their rotational velocities, Vϕ, and corresponding dispersions, σϕ. We assign ages to the two PN populations by comparing central-star properties of an archival sub-sample of PNe, that have models fitted to their observed spectral features, to stellar evolution tracks. Results. For the high- and low-extinction PNe, we find ages of ∼2.5 and ∼4.5 Gyr, respectively, with distinct kinematics beyond a deprojected radius RGC = 14 kpc. At RGC = 17–20 kpc, which is the equivalent distance in disc scale lengths of the Sun in the Milky Way disc, we obtain σϕ, 2.5 Gyr = 61 ± 14 km s−1 and σϕ, 4.5 Gyr = 101 ± 13 km s−1. The age–velocity dispersion relation for the M 31 disc is obtained in two radial bins, RGC = 14–17 and 17–20 kpc. Conclusions. The high- and low-extinction PNe are associated with the young thin and old thicker disc of M 31, respectively, whose velocity dispersion values increase with age. These values are almost twice and three times that of the Milky Way disc stellar population of corresponding ages, respectively. From comparison with simulations of merging galaxies, we find that the age–velocity dispersion relation in the M 31 disc measured using PNe is indicative of a single major merger that occurred 2.5–4.5 Gyr ago with an estimated merger mass ratio ≈1:5.

研究动机与目标

• 利用行星状星云光度函数（PNLF）确定M31内晕次结构（巨流、NE-搁架、G1-克隆、N-克隆、西-搁架、流-D）的起源。
• 将PNLF参数（M*与暗端斜率）与母恒星种群的星族形成历史和金属量联系起来。
• 检验M31次结构中观测到的PNLF变化是否可用单次大质量并合模型或多次小质量吸积事件来解释。
• 研究PNLF形态对年龄小于5 Gyr的恒星种群比例及金属量的依赖性。
• 利用经验的PNLF数据为M31内晕的形成历史提供独立约束。

提出的方法

• 对M31开展54平方度的深窄线[O iii] 5007Å巡天，识别六个主要内晕次结构及两个盘区环带（RGC = 10–20 kpc与20–30 kpc）中的行星状星云（PNe）。
• 通过累积拟合测量各区域的PNLF，确定明亮截止星等（M*）与暗端斜率（cf2）。
• 在统一距离与视线消光条件下，对次结构与盘区的PNLF参数进行统计比较。
• 将PNLF参数与哈勃空间望远镜观测（Bernard et al. 2015）及大麦哲伦云（LMC）的已发表星族形成历史（SFHs）和金属量进行相关分析。
• 使用Dopita et al. (1992)的理论PNLF模型，将观测到的M*变化与基于金属量和年龄的预测进行比较。
• 分析暗端斜率对年龄小于5 Gyr的恒星质量分数的依赖性，以推断年龄对PNLF的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 M31内晕次结构的PNLF参数（M*与暗端斜率）是否与盘区显著不同？这些差异对它们的起源有何启示？
• RQ2 观测到的M*在次结构间的差异是否与基于母恒星种群金属量和年龄的理论预测一致？
• RQ3 每个次结构中PNLF的形态能否区分单次大质量并合与多次小质量吸积事件？
• RQ4 较老恒星种群（年龄超过5 Gyr）对M31不同区域PNLF暗端的贡献如何？
• RQ5 流-D是否具有与其它次结构不同的起源，如其独特的PNLF与低金属量所示？

主要发现

• 巨流与西-搁架的PNLF明亮截止星等（M*）分别比基于其母种群测量金属量的PN演化模型预测值暗0.6和0.8等。
• 流-D的M*值比预测值暗1.5等，表明其金属量显著更低，且起源与其它次结构不同。
• PNLF暗端斜率随年龄小于5 Gyr的恒星质量分数降低而线性增加，表明较老恒星种群优先填充PNLF的暗端。
• 巨流与NE-搁架的PNLF参数与低金属量一致，支持其为单个星系并合时的恒星碎片。
• G1-克隆的PNLF与前并合盘起源一致，且有显著的年轻恒星贡献，表明并合后冷气体吸积引发了后续恒星形成。
• PNLF约束结合第二篇论文中的年龄-速度弥散关系，支持约2–3 Gyr前的一次较重大并合事件是大多数内晕次结构的起源，而流-D则起源于独立的吸积事件。