[论文解读] VLT Spectroscopy of Globular Cluster Systems, II. Spectroscopic Ages, Metallicities, and [alpha/Fe] Ratios of Globular Clusters in Early-Type Galaxies

Thomas H. Puzia, M. Kissler‐Patig+6 more|ArXiv.org|May 20, 2005

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 91

一句话总结

本研究利用VLT光谱和Lick指数测量，推导了早期型星系中球状星团的年龄、金属丰度和[α/Fe]比值。研究发现约2/3的星团年龄超过100亿年，平均[α/Fe]为0.47 ± 0.06 dex，表明其形成 timescale 极短，与单体坍缩模型一致；并揭示[α/Fe]与金属丰度呈负相关，暗示金属丰度较高的星团形成时间更短。

ABSTRACT

An analysis of ages, metallicities, and [alpha/Fe] ratios of globular cluster systems in early-type galaxies is presented, based on Lick index measurements summarized in Puzia et al. (2004, Paper I of this series). In the light of calibration and measurement uncertainties, age-metallicity degeneracy, and the relative dynamic range of Lick indices, as well as systematics introduced by abundance ratio variations (in particular variations of [alpha/Fe] ratios), we find that the most reliable age indicator for our dataset is a combination of the Lick Balmer-line indices HgammaA, Hbeta, and HdeltaA. [MgFe]' is used as a spectroscopic metallicity indicator which is least affected by [alpha/Fe] variations. We introduce an interpolation routine to simultaneously derive ages, metallicities, and [alpha/Fe] ratios from diagnostic grids constructed from Lick indices. From a comparison of high-quality data with SSP model predictions, we find that ~2/3 of the globular clusters in early-type galaxies are older than 10 Gyr, up to 1/3 have ages in the range ~5-10 Gyr, and only a few cluster are younger than ~5 Gyr. Our sample of globular clusters covers metallicities from [Z/H] = -1.3 up to ~0.5 dex. We find that metal-rich globular clusters show on average a smaller mean age and a larger age scatter than their metal-poor counterparts. [alpha/Fe] diagnostic plots show that globular cluster systems in early-type galaxies have super-solar alpha/Fe abundance ratios with a mean [alpha/Fe] = 0.47+/-0.06 dex and a dispersion of about 0.3 dex. We find evidence for a correlation between [alpha/Fe] and metallicity, in the sense that more metal-rich clusters exhibit lower alpha-element enhancements. [abridged]

研究动机与目标

• 利用高分辨率VLT数据，测定早期型星系中球状星团系统的光谱年龄、金属丰度和[α/Fe]比值。
• 通过利用多个Lick指数并考虑丰度比系统性偏差，解决恒星群体合成中的年龄-金属丰度退化问题。
• 检验球状星团系统是否支持星系形成的单体坍缩或分层并合模型。
• 量化[α/Fe]对金属丰度和年龄的依赖关系，以推断形成 timescale 和化学富集历史。
• 通过与SSP模型和数据质量指标对比，验证基于Lick指数的年龄与金属丰度测定的可靠性。

提出的方法

• 从早期型星系中球状星团的高信噪比VLT光谱中测量Lick指数值（Hβ, HγA, HδA, [MgFe]′）。
• 采用一种新颖的插值方法，基于恒星群体合成模型的诊断网格，同时推导年龄、金属丰度[Z/H]和[α/Fe]。
• 使用高质量数据校准该方法，并评估水平分支形态和指数测量误差带来的系统性不确定度。
• 将观测到的Lick指数与单星族（SSP）模型的预测进行比较，以推导年龄和金属丰度，其中[MgFe]′用作对[α/Fe]变化不敏感的金属丰度指标。
• 通过分析巴尔末指数的离散度并识别与SSP模型不符的异常值，评估数据质量的影响。
• 通过将光谱推导的SSP颜色与观测到的光学颜色进行比较，验证光谱结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于VLT数据，早期型星系中球状星团的光谱年龄、金属丰度和[α/Fe]比值是多少？
• RQ2 年龄-金属丰度退化与[α/Fe]变化如何影响基于Lick指数的年龄与金属丰度估计的可靠性？
• RQ3 球状星团系统中[α/Fe]与金属丰度之间是否存在相关性？其对形成 timescale 有何启示？
• RQ4 推导出的年龄和丰度比是否更支持星系形成的单体坍缩模型还是分层并合模型？
• RQ5 水平分支形态和数据质量的不确定性在多大程度上影响年龄与金属丰度测定的可靠性？

主要发现

• 早期型星系中约2/3的球状星团年龄超过100亿年，最多1/3的年龄在5至100亿年之间，仅有少数年轻于50亿年。
• 平均[α/Fe]比值为0.47 ± 0.06 dex，标准差约为0.3 dex，表明形成 timescale 短于约10亿年，与II型超新星主导的快速富集一致。
• 发现[α/Fe]与金属丰度之间存在显著负相关：金属丰度较高的星团表现出较低的α元素增强，暗示高金属丰度群体的形成 timescale 更短。
• 金属丰度较高的子样本表现出更高的年龄离散度（3.5 Gyr）和更低的平均年龄，而金属贫乏子样本的年龄离散度仅为0.5 Gyr，表明存在年龄-金属丰度关系。
• 观测到的光学颜色与基于光谱推导的年龄和金属丰度计算出的SSP模型颜色高度一致，验证了方法的可靠性。
• 低质量数据表现出巴尔末指数更大的离散度，且极端低巴尔末指数值（低于SSP模型预测）在高质量数据中消失，表明低质量观测存在系统性偏差。