[論文レビュー] A direct measurement of the distance to the Galactic center using the kinematics of bar stars

Henry Leung, Jo Bovy+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、APOGEE DR17およびGaia EDR3データを用い、astroNNによる分光的・光度的距離を用いて得られた銀河バリスの運動学的マップから、直接的な測定により銀河中心距離 $R_0 = 8.23 \pm 0.12\ \text{kpc}$ を提示する。この手法はバリの力学的中心に測定をアンカーリングすることで、Sgr A*の静止フレームに関する仮定を避ける。バリの回転速度の最小値と径方向速度の四重極モードの特徴を特定し、これまでで最も信頼性の高い $R_0$ 評価を達成する。

ABSTRACT

The distance to the Galactic center $R_0$ is a fundamental parameter for understanding the Milky Way, because all observations of our Galaxy are made from our heliocentric reference point. The uncertainty in $R_0$ limits our knowledge of many aspects of the Milky Way, including its total mass and the relative mass of its major components, and any orbital parameters of stars employed in chemo-dynamical analyses. While measurements of $R_0$ have been improving over a century, measurements in the past few years from a variety of methods still find a wide range of $R_0$ being somewhere within $8.0$ to $8.5\,\mathrm{kpc}$. The most precise measurements to date have to assume that Sgr A$^*$ is at rest at the Galactic center, which may not be the case. In this paper, we use maps of the kinematics of stars in the Galactic bar derived from APOGEE DR17 and Gaia EDR3 data augmented with spectro-photometric distances from the exttt{astroNN} neural-network method. These maps clearly display the minimum in the rotational velocity $v_T$ and the quadrupolar signature in radial velocity $v_R$ expected for stars orbiting in a bar. From the minimum in $v_T$, we measure $R_0 = 8.23 \pm 0.12\,\mathrm{kpc}$. We validate our measurement using realistic $N$-body simulations of the Milky Way. We further measure the pattern speed of the bar to be $Ω_\mathrm{bar} = 40.08\pm1.78\,\mathrm{km\,s}^{-1}\mathrm{kpc}^{-1}$. Because the bar forms out of the disk, its center is manifestly the barycenter of the bar+disc system and our measurement is therefore the most robust and accurate measurement of $R_0$ to date.

研究の動機と目的

• Sgr A*の静止フレームに関する仮定を含まずに、銀河中心距離 ($R_0$) の直接的かつ信頼性の高い測定を提供すること。
• バリの中心がバリ＋ディスク系の重心であることに基づき、バリ星の運動学を用いてその重心を動的 tracer として利用すること。
• 高精度の天体測量と分光観測から得られるバリ星の2次元運動学的マップを用いることで、$R_0$ の精度を向上させること。
• Milky Wayのバリ構造と運動の $N$-体シミュレーションを用いて、手法の妥当性を検証すること。
• 副次的にバリのパターン速度 ($\Omega_{\text{bar}}$) を測定し、銀河内部の力学的モデルを強化すること。

提案手法

• APOGEE DR17の径方向速度とGaia EDR3の天体測量（位置、自己運動）を用い、バリ領域の星のデータを統合する。
• astroNNニューラルネットワークを適用して星の分光的・光度的距離を導出し、3次元位相空間再構成を可能にする。
• バリ領域における回転速度 ($v_T$) と径方向速度 ($v_R$) の2次元運動学的マップを構築し、力学的特徴を特定する。
• 回転速度 $v_T$ の最小値と径方向速度 $v_R$ の四重極パターンを、バリ中心回りの円軌道の印として特定し、$R_0$ の位置を特定する。
• Milky Wayの $N$-体シミュレーションを実施し、手法の妥当性を検証するとともに、$R_0$ および $\Omega_{\text{bar}}$ の系統的バイアスを評価する。
• 運動学的マップに対する最尤推定を用いて、$R_0$ と $\Omega_{\text{bar}}$ を不確実性とともに導出し、外部の仮定に依存しないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr A*が静止していると仮定しないで、バリ星の運動学を用いて銀河中心距離を直接測定できるか？
• RQ2 回転速度 $v_T$ の最小値と径方向速度 $v_R$ の四重極パターンは、$R_0$ の信頼性の高い動的アンカーとして機能するか？
• RQ3 バリの中心は、Milky Wayのディスクとバリ系の真の重心とどのように関係しているか？
• RQ4 銀河バリのパターン速度は何か？ そして、Milky Wayの力学的構造をどのように制約するか？
• RQ5 この手法は、S2軌道に基づく測定よりも、より正確で系統的誤差のない $R_0$ を得られるか？

主な発見

• 本論文は、バリの運動学的マップにおける回転速度 $v_T$ の最小値を用いて、$R_0 = 8.23 \pm 0.12\ \text{kpc}$ を測定した。
• バリの中心がバリ＋ディスク系の重心であるため、Sgr A*の静止フレームに関する仮定を避けることができ、測定は信頼性が高い。
• バリのパターン速度は $\Omega_{\text{bar}} = 40.08 \pm 1.78\ \text{km\,s}^{-1}\text{\,kpc}^{-1}$ として測定され、他の力学的制約と整合的である。
• $N$-体シミュレーションによる検証で、手法の信頼性が確認され、$R_0$ における系統的バイアスは最小限であることが示された。
• S2軌道に基づく $R_0$ 測定に影響を及ぼす機器的および基準フレームの系統的誤差を回避でき、$R_0$ へのより直接的な道筋を提供する。
• 今後、SDSS-V、Small-Jasmine、Roman望遠鏡などの調査が、より高い精度を得るための全範囲・パララックスに基づく距離を提供し、この手法を拡張する。