Carnegie Hubble Program: LMC中造父变星在中红外波段的周光关系

(这是一篇让我不写都觉得对不起自己的文章,第一,作者全是我现在访问单位的科学家,一作是一位和蔼的英国姐姐,今天Tea Break的时候还介绍了这篇大作;第二,这真的是一个非常重要工作。。。。的第一步,详情如何,请继续往下看吧)

文章:The Carnegie Hubble Program: The Leavitt Law at 3.6 μm and 4.5 μm in the Large Magellanic Cloud

  • 作者:Victoria Scowcroft, Wendy Freedman, Barry F. Madore, Andrew J. Monson, S. E. Persson, Mark Seibert, Jane R. Rigby, Laura Sturch
  • 论文索引:astro-ph:1108.4672
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识:

对于一个热衷于观测的天文学家来说,可能最让他魂牵梦绕的工作,就是用观测手段丈量宇宙的尺度吧,这也是为什么对距离指示的追寻贯穿了天文学的发展,从公元前300年,Aristarchus用三角视差法估计月球到太阳的距离,到如今利用SNIa超新星把宇宙尺度的测量延伸到宇宙早期,在这其中,最值得大书特书的一笔,定要属Harvard大学天文台的女天文学家Henrietta Swan Leavitt发现的造父变星周光关系了,这类分布在赫罗图上热不稳定带内的明亮特殊变星,按照和自己最大绝对光度相关的周期发生着规律的脉动,正是天文学家梦寐以求的量天尺,而Carnegie天文台前身Wilson山天文台的Edwin Hubble正是利用M31中造父变星的周光关系结束了“宇宙岛之争”,揭示了星系的本质 (保存这块底片的保险室和我的办公室一墙之隔啊);随着宇宙膨胀的证实,天文学家立刻就意识到了Hubble常数 (H_0) 的测量,是观测宇宙学最重要的任务之一,在长达80年的时间里,天文学家对这个常数和这个“常数”随红移的演化展开了不懈的追求,发展出了一条通向哈勃常数的距离测量阶梯,而造父变星等脉动变星的周期-光度关系,显然是坚实的第二级台阶。值得一提的是,在这段历史中,Carnegie天文台的科学家们一直扮演着重要的角色,从Hubble最早尝试估计 (他搞混了几种实际不同的变星,以至于宇宙年龄币当时地质学测定的地球年龄还短),到Alan Sandage精心打造的”通向Hubble常数的阶梯”(8篇文章,逐级定标),再到Hubble Space Telescope上天后,Wendy Freedman (Carnegie天文台现任)为首席科学家的Hubble Key Project结束了长达数十年的”Factor of two”的争论 (两组天文学家,一组给出的Hubble常数在55-70,一组给出的值>100)。

虽然有了这么多前人的努力,但目前最好的结果是Riess et al. 2011,以“3%误差下的Hubble常数”为标题文章展示的HST上面的新设备WFC3对有SNIa探测的临近星系中的造父变星的观测得到的;3%有多可靠暂且不提,至少靠谱的说法是目前对哈勃常数的测量停留在“百分之几”的误差水平上,尽管这个结果似乎很让人安心,但事实上,新的宇宙学给Hubble常数的测量提出了新的要求,在目前的Lambda-CDM宇宙模型下,对暗能量状态方程的限制需要进一步的精确测定哈勃常数,这也是为什么天文学家们仍然在不懈的追寻;本文介绍的Carnegie Hubble Program是一个利用中红外波段观测临近星系中的造父变星,再逐渐的延伸到其他定标关系,尤其是非超新星定标关系上 (比如Tully-Fisher关系等)的宏大工程,其终极目标是把Hubble常数定到2%的误差以内,不过要实现这个目标,需要依赖JWST的观测,目前所作的是利用Spitzer的观测,把银河系和最邻近星系中的造父变星周光关系进一步的定标,并发现潜在的问题,和这个方法内部本质上的弥散。本文介绍的是利用Spitzer Warm Mission (Spitzer红外望远镜在制冷剂耗尽后进入的只有3.6和4.5微米还能正常工作的阶段)观测的银河系邻居,大麦哲伦星云中的造父变星进行的工作,再介绍工作之前,首先来回顾一下什么是周光关系吧。

什么是造父变星,什么是周光关系,为什么要去红外波段测量?:

造父变星,是一类非常明亮的变星,其原型星为仙王座\delta,其中文名为造父一;这颗变星在18世纪就由著名的英国失聪天文学家John Goodricke认证出来;在19世纪末被发现具有周期光度关系,随后,银河系内的几颗造父变星有了三角视差的观测,周光关系的距离零点得以被估计出来,不过随后天文学家又发现,具有周光关系的变星不止一种,最早发现的属于长周期经典造父变星,其光变周期长于1.5天,还有在老年星族中存在的短周期II型造父变星(也称为室女座W型),此外,还有矮造父变星(也叫盾牌座\delta变星)和具有类似周光关系的天琴座RR短周期变星等。这些变星的光变都来自于恒星外层大气自身的脉动,这种脉动是由恒星包层中He元素随温度上升和下降产生的电离状态改变引起的不透明度的变化驱动的,一般机制在所有的天体物理基础课程中都会涉及,这里不在赘述。

在脉动的机制得到比较合理的解释之后,天文学家意识到在赫罗图(光度-温度图)上,存在着多条不稳定带,当恒星演化到这个区域的时候就进入了脉动阶段,观测上告诉我们,热不稳定带是具有一定宽度的,这个宽度有一部分是本质性质上的差别;所以你可以想想,在描述造父变星性质的时候,可以在极大光度-对应的表面温度-脉动周期空间中构造一个平面,因此,测量得到的周光关系的弥散,有一部分来自于热不稳定带宽度的投影,而在近红外到中红外波段,考虑到恒星的谱能量分布不再对温度特别的敏感,这个观测的不稳定带的宽度也会下降,因而得到的周光关系也可以更精确一些;而且,更主要的是,天文测光的大敌:消光,对于周光关系的光学测量是致命的威胁,但在红外波段,尤其是3.6微米附近,几乎可以不作太多考虑,这两个因素加起来,就解释了为什么本文要使用Spitzer的中红外观测。

本文工作:

本文利用了LMC中已知的85颗造父变星,利用采样均匀而完备的Spitzer观测得到了他们在3.6和4.5微米上的光变曲线,通过光变曲线的拟合得到周期和极大光度的测量,构建周光关系 (形式为 M = a \times(LogP-1)+b )。这个过程看起来简单直接,但实际上需要极其细致和耐心的测量工作,做过变星测光的人都该知道,需要通过对光度恒定的恒星的相同观测来进行测光定标和误差的估计;此外,对于Spitzer的观测,还需要进行Point Response Function (PRF,类似于光学观测中的点扩散函数PSF)的改正,这也是一个不轻松的步骤。

本文的一个亮点还在于利用两个波段的测量给出了[3.6-4.5]颜色随光变的变化,并发现了很有意思的结果;虽然这不是第一次有人发现周期和颜色的关系,但是这是第一次,这个关系有了多周期观测的良好限制,而且作者讨论了物理解释和潜在的应用;同时,以往多波段估计的LMC中的造父变星周光关系也被拿来进行了比较。下面,我们还是用看图说话的形式展示一下文章的主要结论吧。

主要结论:

图1是85颗观测的造父变星中的9颗的IRAC 3.6微米和4.5微米的光变曲线,图中观测点的大小就代表了测光误差的大小,对于本文工作,测光误差被控制的比较好;每幅图最下方的就是[3.6-4.5]颜色的光变曲线,虽然幅度一般都非常的小,但是依然可以看出随着光度的变化,颜色的变化存在着一定的规律,似乎的一个趋势是在光度处于光变谷值附近的时候,颜色会变的更“红”一些,这个变化可能来自于造父变星大气中的CO分子吸收随大气包层的脉动产生变化有关,因为正好有CO分子吸收带落在了4.5微米的波段中,这个现象,还是第一次被比较确定的注意到

这个便是LMC中造父变星的两个中红外波段的周期光变关系,为了得到可靠的拟合结果,在确定光变周期两端的部分数据点没有被包括在拟合之中,这些点在图中用了空心表示;得到的拟合结果就是图中的实线,而虚线表示了2\sigma的误差范围。这个其实就是本文最核心的结果。

对于这样的工作,比得到一个关系更重要的是鸡蛋里挑骨头的误差分析,而和拟合关系的残差分析也是最重要的一个手段。上图展示了两个波段的对拟合的周光关系残差的比较,图中实心黑点代表了拟合用的样本,红色的Star代表了舍弃的短周期造父变星,而蓝色的三角代表了舍弃的长周期部分;图中的虚线代表了相等的残差关系,可以看到实际情况有明显的偏差,这个偏差其实同样代表了CO吸收线的变化把4.5微米波段从标准的周光关系上推开了一点点,这也是为什么本文的结论显示,3.6微米波段才是更好的中红外周光关系指示波段。

上图进一步展示的是3.6微米波段对周光关系的残差和颜色“周光关系”的残差之间的比较,如果认为3.6微米周光关系的弥散反映了赫罗图上造父变星分布的热不稳定带的宽度,而且[3.6-4.5]颜色的残差也有相同的起源,在假定观测的85颗造父变星对LMC的热不稳定带是一个很好采样的话,上图拟合关系的弥散可以转化成对热不稳定带星等宽度的一种描述,这个宽度,本文给出的结果是0.062星等。

关于造父变星的周期和颜色之间的关系,之前的研究也有过蛛丝马迹,不过观测证据都没有本文的确凿,上图展示的LMC造父变星周期-颜色关系除了在长周期端(排除在拟合外的部分)展示的非常的明显;而且基本的趋势就是造父变星的周期越长,恒星温度也就越低,因而大气包层中更多的C和O原子能够符合成为CO分子,吸收掉更多的4.5微米波段的连续谱辐射,使得颜色看上去更红。


fig1

Fig.6:

上图展示了造父变星周光关系的轮廓与波长的关系,和以前光学波段,和其他中红外波段结果的比较,可以看到一个系统的变化,斜率逐渐变的更负,但是到了中红外波段就逐渐的减慢下来;4.5微米波段的值和整个关系似乎有明显的差别,这个差别也反映了前面讨论的CO分子的影响,有趣的是,在K波段似乎也看到了类似的现象,而在K波段里,这样的CO分子吸收也是存在的;虽然本文的结果是3.6微米的观测更适合作为距离指示,但并不意味着4.5微米就没有用,这种随CO吸收的系统变化具有考虑金属丰度变化对周光关系影响的能力,值得进一步的研究。

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One Reply to “Carnegie Hubble Program: LMC中造父变星在中红外波段的周光关系”

  1. NGC2264

    Chromium 13.0.782.215 Linux

    报到,不理解的是造父变星周光关系发现这么久,红外观测能力也是很早就有了,为什么到现在才做这个工作,这个idea应该很早就被大牛们想到了啊

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