球狀星團(tuán)Hodge11、NGC1466、NGC2257的顏色-星等圖研究

羅起蘋(píng)，李忠木

（大理大學(xué)天文與科技史研究所，云南大理 671003）

球狀星團(tuán)Hodge11、NGC1466、NGC2257的顏色-星等圖研究

羅起蘋(píng)，李忠木*

（大理大學(xué)天文與科技史研究所，云南大理 671003）

使用新型星族合成方法對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在大麥哲倫云中觀測(cè)到的球狀星團(tuán)Hodge11、NGC1466、NGC2257進(jìn)行顏色-星等圖研究。在不考慮觀測(cè)誤差的前提下，通過(guò)擬合確定出這3個(gè)星團(tuán)的距離模數(shù)、色余、金屬豐度、年齡、星暴次數(shù)、雙星比例、恒星形成歷史等參數(shù)。結(jié)果表明，這3個(gè)星團(tuán)有著共同的特征：屬于年老星團(tuán)、平均年齡在14 Gyr以上，金屬豐度都為0.000 3，都是由單次星暴產(chǎn)生的簡(jiǎn)單星族，幾個(gè)星團(tuán)均含60%左右的雙星。我們發(fā)現(xiàn)，使用新型星族合成方法比傳統(tǒng)星族合成方法對(duì)觀測(cè)結(jié)果的擬合明顯更好。

球狀星團(tuán)；顏色-星等圖；星族合成；雙星；參數(shù)

球狀星團(tuán)與星系的形成和演化有密切關(guān)系，研究球狀星團(tuán)是探索星系形成和演化的基本課題〔1〕。星團(tuán)的顏色-星等圖（即觀測(cè)上的赫羅圖）能夠充分展現(xiàn)星團(tuán)中恒星的許多特點(diǎn)，幫助我們了解其內(nèi)部物理特性，確定星團(tuán)的年齡、金屬豐度、雙星比例等基本參數(shù)，是研究星系、星團(tuán)形成和演化的重要基礎(chǔ)。

星族合成研究方法經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)星族合成、演化星族合成等發(fā)展階段〔2-3〕。在追求精細(xì)化研究的今天，完整地重現(xiàn)觀測(cè)星團(tuán)的顏色-星等圖，準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)參數(shù)已成為必然的趨勢(shì)。然而迄今為止，我們?nèi)匀徊荒芎芎玫亟忉尯芏嘈菆F(tuán)的觀測(cè)顏色-星等圖，準(zhǔn)確確定相關(guān)的數(shù)據(jù)。其中一個(gè)原因是所使用的模型沒(méi)有考慮一些天體中真實(shí)存在的因素，如雙星、恒星轉(zhuǎn)動(dòng)、恒星形成歷史等。之前的研究大多數(shù)通過(guò)單星簡(jiǎn)單星族模型對(duì)觀測(cè)星團(tuán)的顏色-星等圖進(jìn)行擬合，這僅能實(shí)現(xiàn)基本形狀的重現(xiàn)，大致地對(duì)距離模數(shù)、色余、年齡、金屬豐度等參數(shù)進(jìn)行確定。李忠木等人使用等年齡線分布庫(kù)建立的快速演化模型已考慮了雙星演化對(duì)顏色-星等圖的影響〔4〕。本研究在Johnson等人〔5〕、李忠木等人〔6-8〕工作的基礎(chǔ)上，使用了有別于傳統(tǒng)星族合成但又將其包含在內(nèi)的新型星族合成模型〔6-13〕。該模型考慮了可分辨雙星、不可分辨雙星及相互作用雙星對(duì)顏色-星等圖的影響〔14-15〕。在不考慮觀測(cè)誤差的情況下得到了最佳擬合結(jié)果，并對(duì)結(jié)果作了比較。

1 星團(tuán)數(shù)據(jù)及理論星族模型

1.1星團(tuán)數(shù)據(jù)研究的星團(tuán)觀測(cè)數(shù)據(jù)取自Johnson等人〔5〕的工作。星團(tuán)是通過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，HST）的廣角行星照相機(jī)（Wide Field Planetary Camera 2，WFPC2）拍攝，觀測(cè)采用了F555W（V）和F814W（I）波段〔5〕。通過(guò)觀察顏色-星等圖的形狀，我們找出了觀測(cè)的顏色-星等圖結(jié)構(gòu)完整、形狀較為清晰、散點(diǎn)較少的3個(gè)星團(tuán)，即Hodge11、NGC1466、NGC2257，作為研究對(duì)象。

從Hodge11、NGC1466、NGC2257的顏色-星等圖（見(jiàn)圖1）可以看出，星團(tuán)的主序具有明顯的展寬，但在主序拐點(diǎn)、紅團(tuán)簇巨星處卻沒(méi)有體現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。因此，使用考慮了雙星的星族模型很有必要。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)主要對(duì)主序拐點(diǎn)展寬有影響，而這3個(gè)星團(tuán)的主序拐點(diǎn)無(wú)明顯展寬現(xiàn)象，因此這里不必考慮轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)顏色-星等圖的影響〔12〕。

圖1 星團(tuán)的觀測(cè)顏色-星等圖

1.2理論星族模型本研究所使用的理論模型是新型星族合成模型。新型星族合成模型是由李忠木提出的一種新的星族合成模型，它是基于快速演化星族合成模型發(fā)展而來(lái)的新的研究模型〔12-13〕。它在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上加入了雙星、多次星暴、恒星轉(zhuǎn)動(dòng)等已被普遍觀測(cè)到存在于星團(tuán)中的因素，因此能夠更加全面地重現(xiàn)星團(tuán)的顏色-星等圖，在光譜擬合、顏色方法研究中有重要的應(yīng)用潛力。

新型星族合成模型采用Salpeter的恒星初始質(zhì)量函數(shù)〔16〕、Hurley等人的快速恒星演化程序〔17〕、Georgy等人計(jì)算的恒星轉(zhuǎn)動(dòng)影響〔18〕，它能夠?qū)崿F(xiàn)含單星、雙星、轉(zhuǎn)動(dòng)恒星的簡(jiǎn)單及復(fù)合星族模型構(gòu)建。這個(gè)模型覆蓋了較大的參數(shù)范圍：151種不同年齡（0.1～15 Gyr），任意雙星比例（0%～100%），8種金屬豐度（0.000 1、0.000 3、0.001、0.004、0.008、0.01、0.02、0.03），6種恒星轉(zhuǎn)動(dòng)比例（0%、10%、30%、50%、70%、100%），5種恒星形成模式（1～5分別表示均勻形成、線性增加、線性減小、正“V”型和倒“V”型）。和其他模型相比，同時(shí)考慮雙星比例、恒星形成歷史、恒星轉(zhuǎn)動(dòng)比例是新型星族合成模型的新特點(diǎn)〔12-13〕。

2 星團(tuán)的顏色-星等圖擬合

2.1擬合結(jié)果我們通過(guò)新型星族合成模型的一個(gè)顏色-星等圖分析配套軟件Powerful CMD來(lái)實(shí)現(xiàn)星團(tuán)擬合〔12-13〕。軟件在選取的顏色-星等圖范圍內(nèi)，將顏色-星等圖劃分為若干小網(wǎng)格，比較每個(gè)網(wǎng)格里觀測(cè)點(diǎn)和理論點(diǎn)的比例，通過(guò)最小開(kāi)平方值來(lái)找到最佳擬合結(jié)果，我們還對(duì)結(jié)果進(jìn)行了肉眼驗(yàn)證。擬合中我們不僅使用了不考慮雙星、多次星暴和恒星形成模式的單星簡(jiǎn)單星族模型進(jìn)行擬合，還采用考慮了雙星、多次星暴和恒星形成模式的雙星復(fù)合星族模型進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖2。擬合結(jié)果表明這3個(gè)星團(tuán)屬于單次星暴產(chǎn)生的簡(jiǎn)單星族，所以在后續(xù)工作中可以用簡(jiǎn)單星族進(jìn)行研究。由于在本次研究的數(shù)據(jù)中沒(méi)有誤差數(shù)據(jù)，因此我們的結(jié)果沒(méi)有考慮誤差。

圖2 單星簡(jiǎn)單星族擬合（上圖）和雙星復(fù)合星族擬合（下圖）的結(jié)果對(duì)比圖

圖2中上行為使用傳統(tǒng)星族合成模型（單星構(gòu)成的模型）得到的結(jié)果。可以看到，傳統(tǒng)模型只能完成基本形狀的擬合。下行為用新型星族合成模型得到的結(jié)果，它不僅實(shí)現(xiàn)了基本形狀的重現(xiàn)，還重現(xiàn)了很寬的主序。同時(shí)，它還重現(xiàn)了部分藍(lán)、紅離散星。注意到水平分支無(wú)法很好地?cái)M合，這很可能是由恒星演化晚期的較大不確定性引起的〔7〕。

2.2星團(tuán)參數(shù)有些工作在對(duì)星團(tuán)的顏色-星等圖研究中也給出了相關(guān)參數(shù)，但一般只包括金屬豐度、年齡、距離模數(shù)、色余等。研究中，較全面給出參數(shù)的文章如Mighell等人〔19〕、Alcaino等人〔20-21〕，見(jiàn)表1。

表1 其他研究所得參數(shù)

在本研究中，我們分別采用了不考慮雙星和考慮雙星的模型確定了星團(tuán)的參數(shù)。圖2中上行是未考慮雙星比例的結(jié)果，而下行是考慮了雙星比例的擬合結(jié)果。其結(jié)果數(shù)據(jù)除星團(tuán)Hodge11的單星星族的年齡為14.8 Gyr，比雙星星族的結(jié)果大0.1 Gyr以外，兩種模型擬合所得距離模數(shù)、色余、金屬豐度、星暴次數(shù)、恒星形成模式等參數(shù)完全一致，當(dāng)然，雙星比例分別為0%和60%。表2所給出的是圖2下行對(duì)應(yīng)部分的最佳擬合參數(shù)。我們可以與表1相比較，其中表示工作中所測(cè)的金屬豐度Z與金屬豐度［Fe∕H］的關(guān)系式為：

表2 本工作得到的最佳擬合參數(shù)

3 總結(jié)與討論

我們使用了傳統(tǒng)星族合成和新型星族合成兩種方法來(lái)擬合球狀星團(tuán)Hodge11、NGC1466、NGC2257的顏色-星等圖。結(jié)果表明，這3個(gè)星團(tuán)有著相近的距離模數(shù)和色余，它們都屬于年老星族（＞14 Gyr），星團(tuán)所測(cè)年齡大于宇宙年齡可能是由于理論模型的不夠完善導(dǎo)致的。但是，我們的結(jié)果與此前工作所得結(jié)果一致。這3個(gè)星團(tuán)還有著同樣的金屬豐度0.000 3和近60%左右的雙星比例。根據(jù)擬合結(jié)果，考慮多次星暴和恒星形成歷史的雙星復(fù)合星族所測(cè)的星暴次數(shù)、恒星形成模式值都為1，即它們都屬于一次星暴產(chǎn)生的含有雙星的簡(jiǎn)單星族。與其他研究相比較，結(jié)果基本相似，但是可以看出考慮了雙星的模型能夠更好地對(duì)觀測(cè)的顏色-星等圖進(jìn)行擬合。然而由于研究未考慮星團(tuán)數(shù)據(jù)的誤差，導(dǎo)致擬合結(jié)果的圖形無(wú)法完全體現(xiàn)出新型星族合成的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該在以后的研究中加以改進(jìn)。

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A Study of the Color-magnitude Diagrams of Globular Clusters Hodge11,NGC1466,NGC2257

Luo Qiping,Li Zhongmu*
（Institute for Astronomy and History of Science and Technology,Dali University,Dali,Yunnan 671003,China）

Advanced stellar population synthesis（ASPS）was used to study the color-magnitude diagrams of globular clusters Hodge11,NGC1466,and NGC2257,which were observed by the Hubble Space Telescope（HST）in the Large Magellanic Cloud. Without the consideration of errors in the observation,the distance modulus,color excess,metallicity,age,star burst number,binary fraction,and star formation history of clusters were determined through fitting.The result shows that the three star clusters are old（with average age of more than 14 Gyr）,and of a metallicity Z of 0.000 3.All of them are shown to be like single stellar populations and have about 60 percent binaries.It is shown that ASPS fits to the observations better than traditional models.

globular clusters;color-magnitude diagram;stellar population synthesis;binary star;parameters

P154.1

A

2096-2266（2016）12-0026-04

10.3969∕j.issn.2096-2266.2016.12.006

（責(zé)任編輯 袁 霞）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11563002）；中德科學(xué)基金資助項(xiàng)目（GZ1284）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2016FB010）

2016-09-14

2016-11-01

羅起蘋(píng)，2010級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生. *通信作者：李忠木，教授.