[论文解读] Towards Precision Photometry with Extremely Large Telescopes: the Double Subgiant Branch of NGC 1851

Paolo Turri, Alan W. McConnachie+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 28被引用 14

一句话总结

本文展示了在智利帕穹山天文台的Gemini南望远镜上，利用GeMS多共轭自适应光学（MCAO）系统，可在密集星场中实现高精度的近红外测光，获得了地面望远镜迄今最深的球状星团Ks波段测光数据。研究高精度确认了NGC 1851中双次巨星分支（SGB）的存在，验证了MCAO在未来的极大望远镜（ELT）任务中的潜力。

ABSTRACT

The Extremely Large Telescopes currently under construction have a collecting area that is an order of magnitude larger than the present largest optical telescopes. For seeing-limited observations the performance will scale as the collecting area but, with the successful use of adaptive optics, for many applications it will scale as $D^4$ (where $D$ is the diameter of the primary mirror). Central to the success of the ELTs, therefore, is the successful use of multi-conjugate adaptive optics (MCAO) that applies a high degree correction over a field of view larger than the few arcseconds that limits classical adaptive optics systems. In this letter, we report on the analysis of crowded field images taken on the central region of the Galactic globular cluster NGC 1851 in $K_s$ band using GeMS at the Gemini South telescope, the only science-grade MCAO system in operation. We use this cluster as a benchmark to verify the ability to achieve precise near-infrared photometry by presenting the deepest $K_s$ photometry in crowded fields ever obtained from the ground. We construct a colour-magnitude diagram in combination with the F606W band from HST/ACS. As well as detecting the "knee" in the lower main sequence at $K_s\simeq20.5$, we also detect the double subgiant branch of NGC 1851, that demonstrates the high photometric accuracy of GeMS in crowded fields.

研究动机与目标

• 评估多共轭自适应光学（MCAO）在密集星场中实现高精度测光的性能。
• 以NGC 1851为基准，验证地面MCAO在高精度测光中的应用，因其已知具有双次巨星分支特征。
• 将地面MCAO测光与哈勃空间望远镜（HST）的光学数据进行比较，以验证其精度与深度。
• 证明MCAO系统可在密集星场中实现与空间望远镜相当的近红外测光精度。
• 为未来使用MCAO系统的极大望远镜（ELTs）提供观测策略与数据处理技术的指导。

提出的方法

• 利用智利Gemini南望远镜上的Gemini多共轭自适应光学系统（GeMS），获取了NGC 1851核心区域的深Ks波段图像。
• 采用五个激光导星与三个自然导星，实现了在83角秒×83角秒视场内的高稳定性波前校正。
• 将GeMS的Ks波段数据与档案中的HST/ACS F606W光学测光数据结合，构建了高精度的色-星等图（CMD）。
• 使用Gemini IRAF软件包进行测光数据还原，对密集星场中的恒星进行逐星去重叠处理。
• 采用双高斯分量模型对次巨星分支进行建模，以量化暗淡SGB星与明亮SGB星的相对星族比例。
• 通过CMD与SGB形态的统计分析，计算测光不确定度，并评估GeMS系统的稳定性与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 地面望远镜上的MCAO系统是否能在密集星场中实现与空间望远镜相当的测光精度？
• RQ2 NGC 1851中的双次巨星分支（SGB）在使用MCAO进行的深Ks波段成像中是否仍可清晰分辨？
• RQ3 基于地面MCAO数据，NGC 1851中暗淡SGB（fSGB）与明亮SGB（bSGB）成分的相对星族比例是多少？
• RQ4 GeMS Ks波段测光的深度与精度与HST/ACS光学测光相比如何？
• RQ5 MCAO在多大程度上可实现对密集星团中恒星族的高精度测光，从而为未来ELT的观测策略提供参考？

主要发现

• GeMS MCAO系统实现了迄今从地面获得的最深球状星团Ks波段测光，极限星等达到Ks ≈ 20.5。
• NGC 1851中的双次巨星分支（SGB）在Ks波段CMD中被清晰分辨并检测到，高精度确认了其存在。
• 暗淡SGB（fSGB）与明亮SGB（bSGB）成分的星族比例为NfSGB/NbSGB = 0.47，与以往基于HST的研究结果一致。
• 在Ks ≈ 20.5处检测到主序拐点，表明在低温恒星大气中存在碰撞诱导的H2吸收。
• 测光不确定度足够小，能够分辨双峰SGB结构，证明该系统具备实现高精度测光的能力。
• 双SGB的成功检测证实，MCAO系统可提供适合在密集星场中开展关键天体物理研究的测光性能，为ELT时代科学铺平道路。