[论文解读] VLT observations of metal-rich extra galactic HII regions. I. Massive star populations and the upper end of the IMF

M. Pindao, D. Schaerer+2 more|ArXiv.org|Aug 12, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 41被引用 27

一句话总结

本研究利用VLT FORS1对85个富含金属的星系外HII区进行了光谱观测，通过蓝端WR特征（blue WR bump）在27个区域中识别出沃尔夫-拉叶（WR）星，另有14个区域通过C IV λ5808发射线识别出WC型星。研究推导出在太阳金属度环境下的初始质量函数（IMF）上截止质量下限为60–90 M⊙，挑战了高金属度系统中IMF变软的论断，表明上截止质量M_up与金属度之间不存在系统性变化。

ABSTRACT

We have obtained high quality FORS1/VLT optical spectra of 85 disk HII regions several nearby spiral galaxies. Our sample of metal-rich HII regions with metallicities close to solar and higher reveal the presence of Wolf-Rayet (WR) stars in 27 objects from the blue WR bump and 15 additional candidate WR regions. This provides for the first time a large set of metal-rich WR regions. Approximately half of the WR regions also show broad CIV emission attributed to WR stars of the WC subtype (...). The WR regions show quite clear trends between their observed WR features and the Hbeta emission line. Detailed synthesis models are presented to understand/interpret these observations. (...) The availability of a fairly large sample of metal-rich WR regions allows us to improve existing estimates of the upper mass cut-off of the IMF in a robust way and independently of detailed modeling: from the observed maximum Hbeta equivalent width of the WR regions we derive a LOWER LIMIT for M_up of 60-90 Msun in the case of a Salpeter slope and larger values for steeper IMF slopes. From our direct probe of the massive star content we conclude that there is at present no evidence for systematic variations of the upper mass cut-off of the IMF in metal-rich environments, in contrast to some claims based on indirect nebular diagnostics. (abridged abstract)

研究动机与目标

• 利用高分辨率VLT光谱直接探测富含金属的星系外HII区中的大质量星成分。
• 检验初始质量函数（IMF）的上截止质量是否在高金属度环境中发生变化，以反驳基于间接电离气体诊断的论断。
• 评估演化合成模型在预测高金属度系统中WR特征方面的可靠性。
• 利用WR区中观测到的最大Hβ等效宽度，进一步约束IMF上截止质量。
• 研究星系外HII区中WR特征强度及WC/WN比例随金属度的变化趋势。

提出的方法

• 获取邻近旋涡星系（NGC 3351、3521、4254、4303、4321）中85个HII区的高信噪比FORs1/VLT光学光谱。
• 通过~4680 Å处的宽发射特征（蓝端WR特征）和λ5808处的C IV发射线（红端WR特征）识别沃尔夫-拉叶星，光谱分类基于C III λ5696与C IV λ5808的线对比率。
• 利用R23诊断法及Kobulnicky等人（1999）的校准方法估算金属度，其中12个区域通过[O II] λ7325计算电子温度。
• 将观测到的WR特征强度（W(WR)，I(WR)/I(Hβ)）与最先进的演化合成模型（Schaerer & Vacca 1998）的预测值进行比较。
• 通过调整WN星的线发射模型参数，使观测WR特征与标准Salpeter IMF模型相一致，从而优化模型。
• 基于观测到的最大Hβ等效宽度，推导出在Salpeter IMF斜率下IMF上截止质量（M_up）的下限，同时考虑所有已知会降低W(Hβ)的观测效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 富含金属的HII区是否包含沃尔夫-拉叶星？WC型星在这些环境中的出现频率如何？
• RQ2 在高金属度HII区中，WR特征强度（W(WR)，I(WR)/I(Hβ)）与Hβ等效宽度之间存在何种相关性？
• RQ3 标准演化合成模型在多大程度上能准确预测富含金属系统中的观测WR特征？需要进行何种模型调整？
• RQ4 能否利用直接的大质量星诊断方法，对高金属度环境中的IMF上截止质量（M_up）施加更严格的约束？
• RQ5 是否存在直接证据表明IMF上截止质量随金属度增加而系统性变化？这与基于间接电离气体诊断的论断相矛盾。

主要发现

• 在85个HII区中，27个区域通过~4680 Å处的蓝端WR特征清晰显示出沃尔夫-拉叶星的特征，其中14个区域还检测到C IV λ5808发射线，表明为WC型星。
• 在8个WR区域中同时检测到C III λ5696，可识别出平均为晚期WC型（WC7–WC8）的谱型，与高金属度环境下的预期一致。
• 观测到的WR特征强度（W(WR)和I(WR)/I(Hβ)）系统性低于标准演化合成模型在相同金属度下的预测值。
• 该差异通过改进合成模型中WN星的线发射处理方案后得到最佳解决，调整后观测特征与Salpeter IMF延伸至高质质量的模型预测一致。
• 基于WR区中观测到的最大Hβ等效宽度，推导出在Salpeter IMF斜率下，IMF上截止质量的下限为60–90 M⊙，对于更陡的IMF斜率，该值更高。
• 在富含金属的环境中，尚无直接证据表明IMF上截止质量随金属度系统性变化，与基于间接电离气体诊断的论断相矛盾。