[论文解读] The survey of Planetary Nebulae in Andromeda (M31): I. Imaging the disk and halo with MegaCam@CFHT

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 66被引用 8

一句话总结

本研究利用CFHT的MegaCam对M31中的行星状星云（PNe）进行了16平方度的宽视场巡天，通过[O iii] 5007 Å发射线检测到4,289个PNe——其中3,000多个为新发现——揭示了PNe光度函数在暗端的陡峭上升，以及晕区PNe的光度特定数量是盘面的7倍，表明存在不同的恒星族，且PNe可能存在明显的消光效应。

ABSTRACT

The Andromeda (M31) galaxy subtends nearly 100 sq. deg. on the sky, with severe contamination from the Milky Way halo stars whose surface density displays a steep gradient across the entire M31 field-of-view. Planetary Nebulae (PNe) are a population of stars firmly associated with M31, that are excellent tracers of light, chemistry and motion in galaxies. We present a 16 sq. deg. survey of the disk and inner halo of M31 with MegaCam@CFHT to identify PNe, characterize their luminosity-specific PN number and luminosity function (PNLF). PNe were identified based on their bright OIII 5007 $\unicode{x212B}$ emission and absence of a continuum. Subsamples of the faint PNe were independently confirmed by matching with resolved Hubble Space Telescope sources from the PHAT survey and spectroscopic follow-up observations with HectoSpec@MMT. The current survey reaches 2 mag fainter than the previous most-sensitive survey. We identify 4289 PNe, of which only 1099 were previously known. By comparing the PN number density with the surface brightness profile of M31 out to ~30 kpc along the minor-axis, we find that the stellar population in the inner halo has a 7 times larger luminosity-specific PN number value than that of the disk. It indicates that the stellar population at deprojected minor-axis radii larger than ~10 kpc is different from that in the M31 disk. We measure the PNLF and find a bright cut-off and a slope consistent with the previous determination by Ciardullo et al. (1989). Interestingly, it shows a significant rise at the faint end, present in all radial bins covered by the survey, much steeper than that observed for the Magellanic clouds and Milky Way bulge. M31 shows two major episodes of star formation and the rise in the faint end of the PNLF is possibly associated with the older stellar population. It may also be a result of varying opacity of the PNe.

研究动机与目标

• 利用宽视场成像技术，绘制M31盘面与内晕中行星状星云（PNe）的分布与光度函数。
• 通过将PNe作为M31恒星族的离散示踪器，克服银河系晕星对背景的污染影响。
• 测量光度特定PNe数量，并评估M31盘面与晕区PNe群体属性的径向变化。
• 探究PNe光度函数暗端上升的成因，与其他星系比较，考虑恒星族年龄或消光效应的影响。

提出的方法

• 使用CFHT的MegaCam仪器，结合窄带[O iii] 5007 Å与宽带g滤镜，对M31的盘面与内晕（16平方度）进行成像。
• 通过窄带与宽带图像之间的颜色过量识别PNe，检测具有[O iii]发射但无连续谱的源。
• 通过与哈勃空间望远镜PHAT巡天源的交叉识别，以及使用MMT望远镜的HectoSpec进行光谱后续观测，验证暗弱PNe的检测结果。
• 通过模拟PNe群体校正完备性，以获得可靠的光度函数与特定频率值。
• 测量PNe光度函数（PNLF），并使用广义解析公式拟合完备性校正后的数据。
• 分析PNe特定频率（α参数）的径向趋势，并与以往巡天及模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 M31盘面与内晕中行星状星云的径向分布与光度函数如何？
• RQ2 晕区的光度特定PNe数量与盘面相比如何？这暗示了恒星族的何种差异？
• RQ3 M31中PNe光度函数暗端上升的主要原因是什么？是恒星族年龄还是星云消光效应所致？
• RQ4 暗端PNe检测结果是否可靠？是否存在其他源（如共生星或H II区）的污染？
• RQ5 M31中PNe的性质与银河系及大、小麦哲伦云相比如何，特别是在PNLF斜率与完备性方面？

主要发现

• 本巡天在M31中检测到4,289个行星状星云，其中3,190个为新发现，是银河系外最大的PNe样本。
• 在去投影半径大于10 kpc的晕区，光度特定PNe数量是盘面的7倍，表明外晕中存在不同的恒星族。
• PNe光度函数（PNLF）在暗端表现出显著上升，可延伸至比明亮截止点低约5.5等，其斜率比LMC或SMC更陡。
• 该暗端上升现象在所有径向区间及与PHAT匹配的PNe中均被观测到，排除了拥挤或污染的影响，且经光谱后续观测确认，尽管存在较大不确定性。
• PNLF参数（明亮截止点与斜率）与Ciardullo等人（1989）的结果一致，但暗端上升比银河系核球及大、小麦哲伦云更显著。
• 该上升可能源于与更老恒星族（形成于80亿年前以上）相关的PNe，或由于星云消光率变化，其中更透明的PNe主导了暗端。