[論文レビュー] A purely acceleration-based measurement of the fundamental Galactic parameters

Jo Bovy|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、Gaia EDR3データを用いて、太陽系の絶対加速度をクェーサーの自己運動から得る手法と、パルサーの軌道減衰測定を組み合わせることで、純粋に加速度に基づく銀河の基本的パラメータの決定を提示している。太陽の回転速度 $V_0 = 244 \pm 8\ \mathrm{km\,s}^{-1}$ および局所勾配 $V_0' = 2 \pm 9\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$ を得ており、動的平衡や軸対称性の仮定を一切用いない一般相対性理論と幾何測定に基づく最初の決定である。

ABSTRACT

Klioner et al. have used the Gaia EDR3 data to directly measure the solar system's acceleration within the Milky Way using the apparent proper motions of quasars. Here I show that this single absolute acceleration measurement in combination with relative accelerations obtained from pulsar orbital decay allows one to determine all of the parameters describing the dynamics of our local Galactic environment, including the circular velocity at the Sun $V_0 = 244 \pm 8$ km/s and its derivative $V'_0 = 2 \pm 9$ km/s/kpc, the local angular frequency, the Oort constants, and the Sun's motion with respect to the LSR. This is the first determination of these parameters that only uses the general theory of relativity without the need for additional assumptions.

研究の動機と目的

• 動的平衡や軸対称性の仮定を避けて、幾何的および基礎物理学的測定のみを用いて、銀河の基本的パラメータを決定すること。
• Gaia EDR3がクェーサーの自己運動を通じて太陽系の銀河中心方向への加速度を直接測定できることを活用すること。
• この測定をパルサーの軌道減衰データと組み合わせ、局所回転曲線の傾きやその他の運動学的パラメータを推定すること。
• 局所銀河の重力場および速度場を自己一貫的かつ仮定なしに決定すること。
• ダークマター検出や天体物理学的モデリングのための、銀河パラメータの精度と信頼性を向上させること。

提案手法

• Gaia EDR3のastrometryから得られる、加速度による像の自己運動パターン（ aberration ）を用いて、太陽系の加速度を測定する。
• 加速度を $\tilde{a} = a_0 / c = V_0^2 / (c R_0)$ として表し、$V_0$ と $R_0$ に直接結びつける。
• S2星の軌道をGRAVITY観測で得た正確な $R_0 = 8.275 \pm 0.034\ \mathrm{kpc}$ を用いて、加速度測定から $V_0$ を導出する。
• パルサーの軌道減衰を用いて、相対的径方向加速度を測定し、パルサー距離における局所的回転速度を制約する。
• 2.5 kpcのスケール長を用いて高さ依存の回転速度を補正し、線形モデルをフィットして局所勾配 $V_0'$ を推定する。
• 局所運動学と整合するように、$\Omega_0 = V_0 / R_0$ および $V_0'$ からオールト定数 $A$ と $B$ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的平衡や軸対称性の仮定を一切使わずに、局所銀河の回転速度 $V_0$ を決定できるか？
• RQ2 純粋に加速度に基づく手法で、太陽近傍の回転曲線の傾きをどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 オールト定数と太陽の特異速度は、加速度および距離の基礎物理学的測定とどのように関係するか？
• RQ4 パルサーの軌道減衰は、局所重力場に対する堅牢で独立した制約を提供できるか？
• RQ5 非軸対称な摂動は、従来の運動学的パラメータ推定にどのような影響を与えるか？それらを回避できるか？

主な発見

• Gaia EDR3による太陽系の加速度から、$V_0 = 244 \pm 8\ \mathrm{km\,s}^{-1}$ を得ており、$\tilde{a} = 5.05 \pm 0.35\ \mu\mathrm{as\,yr}^{-1}$ および $R_0 = 8.275 \pm 0.034\ \mathrm{kpc}$ から導出された。
• 回転曲線の局所勾配は $V_0' = 2 \pm 9\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$ と測定され、平坦な回転曲線と整合的である。
• 太陽における角速度は $\Omega_0 = 29.4 \pm 1.0\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$ であり、$V_0$ と $R_0$ から導出された。
• オールト定数は $A = 13.8 \pm 4.7\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$ および $B = -15.6 \pm 4.7\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$ と決定され、局所運動学と整合的である。
• 局所標準時空に対する太陽の特異速度は $V_\odot = 8.0 \pm 8.4\ \mathrm{km\,s}^{-1}$ であり、現在のデータの精度の限界により大きな不確実性を有する。
• 本手法は、平衡や軸対称性に関する仮定を回避し、一般相対性理論と幾何測定のみに依拠しており、仮定なしの銀河運動学への重要な一歩を示している。