Stellar Population Synthesis Model 星族合成模型及应用 邹虎@兴隆 BATC 2012.7.7

What do we try to synthesize? Observed quantities (spectrum, colors, Luminosity etc.) from a region of a galaxy which consists of Stars: emit light Dust : absorb and re-radiate Gas : ionize and re-radiate Mayya

What do we try to synthesize? The aim is to obtain the ages and masses of all important stellar groups the in a given region, by comparing the observed quantities with the theoretically computed quantities. The region in study may be as simple as an old globular cluster (GC) or as complex as a starburst in an interacting galaxy such as the Antennae. GCs are relatively simple --- all the stars are of the same age, hardly any gas and dust Starburst systems are complex --- - Age spread - Metallicity spread - In-homogenous dust distribution - Underlying background Mayya

How to synthesize? 初始质量函数（IMF） 恒星形成历史（SFH） 恒星演化轨迹 恒星光谱库 星族合成算法 星际介质消光 观测光谱 星际消光 初始质量函数（IMF） 恒星形成历史（SFH） 恒星演化轨迹 恒星光谱库 星族合成算法 星际介质消光

初始质量函数IMF 不同初始质量函数 初始质量函数φ(m)为恒星形成开始时刻 不同质量恒星的相对数目。

恒星形成历史(SFH) 当前恒星形成率可以通过紫外光度、红外光度、星云发射线和禁 线谱线进行测量 恒星形成历史可以由全光谱和星族合成模型对比得到。如下为几 种恒星形成律 2011年博士毕业答辩

恒星演化轨迹 恒星演化理论依赖于两个基本假设：1）恒星处于流体动力学平衡状态；2）恒星是球对称的。从而恒星的演化完全取决于恒星的质量和化学组成 (恒星演化轨迹库Padova, Geneva) di Criscienzo et al. (2009) 主序前演化 主序后演化

恒星光谱库 理论光谱库：给定金属丰度、有效温度和表面重力，可以由恒星 大气模型计算不同性质的恒星光谱 观测光谱库： (a) STELIB光谱库 (b) Pickles库 (c)紫外光谱库（IUE） 2011年博士毕业答辩

星族合成算法 简单星族(SSP)为同时期形成、具有相同化学组成的恒星系统， 例如球状星团 复杂星族(CSP)如星系比简单星族更加复杂。从简化的角度来说， 它视为不同时期形成的SSP光谱演化到现在的叠加

年龄为5Gyr,太阳金属丰度, Miller IMF 星族合成光谱 简单星族： 太阳金属丰度,Salpeter IMF 复杂星族： 年龄为5Gyr,太阳金属丰度, Miller IMF 瞬时爆 E S0 Sa Sb Irr

尘埃消光 不同消光律 星系发出的光会受到星际介质消 光作用（气体和尘埃吸收和散射） 的影响。 消光律k(λ)表示了不同波段消光 的相对大小，而消光的整体大小 可以由红化值E(B-V)表示： 不同消光律 MW，RV=3.1 SMC，RV=2.7 LMC，RV=3.1 SB，RV=4.05 2011年博士毕业答辩

星族合成模型 Gonzalez Delgado Publicly Available SED models     Models for both evolution of Balmer Absorption lines, and high     spectral resolution stellar libraries Lee, Worthey et al.     Lick indices with individual element abundance variations Maraston     The Maraston et al. ‘fuel-consumption’ stellar population synthesis MILES     The stellar population synthesis models for old and intermediate age stellar populations by Vazdekis et al. Pegase     “Projet d’Etude des GALaxies par Synthese Evolutive” code by Rocca-Volmerange et al., includes high-res SSPs based on ELODIE Starburst99     Stellar population code designed to model spectrophotometric and related properties of young galaxies Publicly Available SED models BPASS     Binary Population and Spectral Synthesis Coelho     Spectral models for Solar scaled and α-enhanced stellar populations FSPS     Flexible Stellar Population Synthesis by Conroy et al. Galadriel     The Padova GALaxies AnD single stellaR populatIon modELs Galaxev     The Bruzual and Charlot Stellar Population Synthesis models Galev     GALaxy EVolutionary Synthesis models by Kotulla et al., includes the spectral and chemical evolution of galaxies

应用: 多色测光拟合 (NGC 628, zou et al. 2011) NGC 628是一个面向型的 SA(s)c型旋涡星系，距离约 8.6Mpc，(视大小约为10角分， 倾角为5-7度)。这样的星系有 利于研究不同成分的性质及其 形成和演化特征（盘、核球和 旋臂等）。 中性氢气体观测表明它是一个 孤立的星系。它不会受到其他 大的星系的潮汐相互作用的影 响。有利于研究它的长期演化。 颜色分布和星族研究表明它的 核球为具有盘性质的伪核球。 区别于经典的核球，它具有许 多特殊的性质。

观测

不同波段的图像 N E

模型和拟合方法 我们分别在年龄、金属丰度的对数空 间内和红化值的线性空间内对合成的 模板光谱进行插值，得到一个较大的 模板光谱库。 卷积滤光片的透过率曲线，获得模板 SED 比较观测和模板SED，得到最优拟合 参数 初始质量函数 Salpeter，1955 恒星形成律 指数下降 （τ=15Gyr） 消光律 Cardelli，1989 年龄范围 0—20Gyr 金属丰度（Z） 7个，0.0001—0.1 演化轨迹 Padova 1994 光谱库 模型光谱库 2011年博士毕业答辩

拟合例子

空间解析的星族性质 Metallicity age E(B-V)

code GOSSIP Galaxy-Observed-Simulated SED      Interactive Program by PANDORA         Group in INAF IASF-Milano Chorizos      By Jesus Maiz-Apellaniz GalMC      A Markov Chain Monte Carlo Algorithm      for SED fitting by Acquaviva et al. CIGALE      Code Investigating GALaxy      Emission by OAMP/LAM group

Full-spectra fitting （M31光谱拟合） 流量定标 LAMOST 2009年测试观 测M31的光谱 总共59条可用的光谱， 分布在核球和盘上

光谱拟合 (STARLIGHT） 2011年博士毕业答辩 STARLIGHT为全光谱拟合的代码，认为星系为一系列不同年龄、金属丰度的简单星族 （SSP）光谱的线性组合。 引入了速度平移和速度弥散，并考虑消光 拟合公式为 这里采用45个SSP光谱：13个年龄（1Myr-13Gyr）和3个金属丰度（0.2、1和2.5倍太阳金 属丰度） 初始质量函数：Chabrier (2003) 消光律：Cardelli （1989） RV=3.1 2011年博士毕业答辩

拟合例子

运动学和星族性质分布

SFH 核球 盘 旋臂

CODES, OPTICAL STARLIGHT http://www.starlight.ufsc.br/ The Spectral Synthesis non-parametric fitting code by the SEAGal Group STECKMAP http://astro.u-strasbg.fr/~ocvirk/STECKMAP_archive/ STECKMAP: STEllar Content and Kinematics from high resolution galactic spectra via Maximum A Posterior, Ocvirk et al. ULYSS (Koleva, M. et al. 2009) http://ulyss.univ-lyon1.fr/ University of Lyon Spectral analysis Software VESPA (Tojeiro et al. 2007) http://www-wfau.roe.ac.uk/vespa/ VErsatile SPectral Analysis code by Edinburgh group pPXF (Cappellari, 2008) http://www-astro.physics.ox.ac.uk/~mxc/idl/#ppxf Penalized Pixel Fitting by Cappellari 2008,

Photometric redshift

拟合结果

codes TEMPLATE BASED Assef Uses Low-Resolution Templates of     Assef et al. BPZ (also here)     Bayesian Photometric Redshift     estimator by Benitez & Coe EAZY     ”Easy and Accurate Z-phot from Yale     group” HYPERZ     Photometric redshift code by     Bolzonella et al. Kcorrect    Photo-Z code by Blanton et al. Le Phare     PHotometric Analysis for Redshift     Estimations by Arnouts & Ilbert ZEBRA     The Zurich Extragalactic Bayesian     Redshift Analyzer using adaptive     templates (ETH) ZPEG     Based on the stellar population synthesis     code PEGASE PAHFIT     IDL tool for decomposing     Spitzer IRS spectra     Smith et al. INVERSION CODES, DUST VO Spectrum Service VIRTUAL OBSERVATORY TOOLS   codes PHOTOMETRIC REDSHIFTS Public SED fitting codes PHAT     Photo-Z Accuracy Testing TRAINING SET BASED ANNz     Photometric redshifts using Artificial     Neural Networks, Collister & Lahav RFPhotoZ     Random Forest Photo-z     Carliles et al. Singal     Neural Network for photo-Z     Singal et al.

k correction

k correction kcorrect (code in IDL and C) Based on Bruzual-Charlot stellar evolution synthesis. Nonnegative matrix factorization (NMF) to produce nonnegative templates Suitable for UV, optical, and near-IR observations in the redshift range 0 < z < 1.5. Since based the templates on stellar population synthesis models, the results are interpretable in terms of approximate stellar masses and star formation histories.

总结 星族合成模型的基本组成 初始质量函数 恒星形成历史 恒星演化轨迹 恒星光谱库 合成算法 星际介质消光 应用 初始质量函数 恒星形成历史 恒星演化轨迹 恒星光谱库 合成算法 星际介质消光 应用 多色测光SED拟合、全光谱拟合、测光红移、k改正