[论文解读] Young Star Cluster Complexes in NGC 4038/39: Integral field spectroscopy using VIMOS-VLT

N. Bastian, Éric Emsellem+2 more|ArXiv.org|Sep 9, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 42被引用 50

一句话总结

本研究利用VIMOS-VLT的积分场光谱技术，分析了天线星系（NGC 4038/39）中年轻星团复合体的年龄、金属丰度、消光程度及恒星形成速率。研究识别出五个具有强沃尔夫-拉叶特征的复合体，表明其年龄为3–5 Myr，确认电离气体膨胀速度较慢（20–40 km/s），并将这些复合体归类为局域性星暴，其单位面积恒星形成速率与星暴星系相当。

ABSTRACT

We present the first results of a survey to obtain Integral Field Spectroscopy of merging galaxies along the Toomre Sequence. In the present work, we concentrate on the star cluster complexes in the Antennae galaxies (NGC 4038/39) in the overlap region as well as the nuclear region of NGC 4038. Using optical spectroscopy we derive the extinction age, metallicity, velocity, velocity dispersion of the gas and star formation rate for each of the eight complexes detected. We supplement this study with archival HST-WFPC2 U, B, V, H$α$, and I band imaging. Correcting the observed colours of the star clusters within the complexes for extinction, measured through our optical spectra, we compare the clusters with simple stellar population models, with which we find an excellent agreement. In five of the complexes we detect strong Wolf-Rayet emission features, indicating young ages (3-5 Myr). The ionized gas surrounding the complexes is expanding at speeds of 20-40 km/s. This slow expansion can be understood as a bubble, caused by the stellar winds and supernovae within the complexes, expanding into the remnant of the progenitor giant molecular cloud. We also find that the complexes themselves are grouped, at about the largest scale of which young star clusters are correlated, representing the largest coherent star forming region. We show that the area normalized star formation rates of these complexes clearly place them in the regime of star forming regions in starburst galaxies, thereby justifying the label of localized starbursts. Finally, we estimate the stability of the complexes, and find that they will probably loose a large fraction of their mass to the surrounding environment, although the central regions may merge into a single large star cluster.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱研究合并中的天线星系（NGC 4038/39）中年轻星团复合体的物理特性。
• 通过与简单 stellar population（SSP）模型对比，确定这些复合体的年龄、金属丰度、消光程度及恒星形成速率。
• 评估复合体的动力学稳定性及其演化命运，包括星团合并与质量损失的可能性。
• 理解复合体在分层恒星形成整体背景中的作用，及其与星暴区域的相似性。

提出的方法

• 利用VIMOS-VLT仪器获取NGC 4038/39中八个星团复合体的空间分辨光学光谱，进行积分场光谱观测。
• 通过PPXF技术进行星族拟合，从发射线（Hβ、O[III]）中测量消光、气体速度、速度弥散度及金属丰度。
• 利用推导出的A_V值对观测到的星团星等进行消光校正，并与简单星族（SSP）模型对比，以估算年龄和质量。
• 利用Hβ发射线流量估算每个复合体的恒星形成速率（SFR），并按面积归一化以评估星暴特性。
• 结合档案中的HST-WFPC2 U、B、V、Hα和I波段成像，利用F555W和Hα滤镜推导星团星等与尺寸。
• 通过将复合体尺寸与基于星系速度分布估算的潮汐半径进行比较，评估其动力学稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 4038/39中年轻星团复合体的年龄、金属丰度和消光程度为何？与SSP模型相比有何差异？
• RQ2 复合体周围的电离气体动力学特性（速度与弥散度）如何？其反馈机制有何启示？
• RQ3 复合体的单位面积恒星形成速率与星暴星系相比如何？它们是否可被归类为局域性星暴？
• RQ4 复合体的动力学稳定性如何？它们是否会保留质量，还是将大量质量损失至周围星际介质？
• RQ5 复合体在多大程度上表现出分层恒星形成的证据？内部星团合并是否可能导致大质量星团的形成？

主要发现

• 八个复合体中的五个表现出强烈的沃尔夫-拉叶发射特征，表明其年龄为3–5 Myr，最精确的估计值在3.5至5.5 Myr之间。
• 复合体周围的电离气体以20–40 km/s的速度膨胀，与恒星风或超新星驱动的气泡在巨大分子云残余物中膨胀的模型一致。
• 复合体的单位面积恒星形成速率在0.2至1.4 M⊙/yr/kpc²之间，明确处于星暴星系的范畴，支持其被标记为‘局域性星暴’。
• 第一区域中的复合体尺寸与估算的潮汐半径相当或更大，表明其可能不稳定，将向周围星际介质损失大量质量。
• 尽管存在质量损失，复合体的中心区域可能仍足够致密，足以支持显著的内部星团合并，长期可能形成一个大质量中心星团。
• 每个复合体中最亮星团在消光校正后，与太阳金属丰度的SSP模型一致，支持了通过光度与光谱方法得出的年龄和质量估计的可靠性。