[論文レビュー] Bars & boxy/peanut bulges in thin & thick discs: I. Morphology and line-of-sight velocities of a fiducial model

Francesca Fragkoudi, P. Di Matteo+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、N体シミュレーションを用いて、薄い（運動的に冷たい）および厚い（運動的に高温の）円盤が、円盤銀河における明確に異なる棒構造および箱型/ピーナッツ（b/p）バルジをどのように形成するかを調査する。その結果、薄い円盤の星は棒に効率的に捕獲されることで、より強く、X字型のb/pバルジを形成するのに対し、高い角運動量と半径方向の振動を示す厚い円盤の星は、弱く、より箱型のb/pバルジを形成し、外側の棒領域では薄い円盤の星に比べて線視速度が最大40%も高いことが判明した。これは、棒-バルジの形態と運動学的性質が星の運動学的性質に強く依存していることを示している。

ABSTRACT

We explore trends in the morphology and line-of-sight (los) velocity of stellar populations in the inner regions of disc galaxies, using N-body simulations with both a thin (kinematically cold) and a thick (kinematically hot) disc which form a bar and boxy/peanut (b/p) bulge. The bar in the thin disc component is $\sim$50\% stronger than the thick disc bar and is more elongated, with an axis ratio almost half that of the thick disc bar. The thin disc b/p bulge has a pronounced X-shape, while the thick disc b/p is weaker with a rather boxy shape. This leads to the signature of the b/p bulge in the thick disc to be weaker and further away from the plane than in the thin disc. Regarding the kinematics, we find that the los velocity of thick disc stars in the outer parts of the b/p bulge can be \emph{larger} than that of thin disc stars, by up to 40\% and 20\% for side-on and Milky Way-like orientations of the bar respectively. This is due to the different orbits followed by thin and thick disc stars in the bar-b/p region, which are affected by the fact that: i) thin disc stars are trapped more efficiently in the bar - b/p instability and thus lose more angular momentum than their thick disc counterparts and ii) thick disc stars have large radial excursions and therefore stars from large radii with high angular momenta can be found in the bar region. We also find that the difference between the los velocities of the thin and thick disc in the b/p bulge ($\Delta v_{los}$) correlates with the initial difference between the radial velocity dispersions of the two discs ($\Delta \sigma$) . We therefore conclude that stars in the bar - b/p bulge will have considerably different morphologies and kinematics depending on the kinematic properties of the disc population they originate from.

研究の動機と目的

• 運動的に異なる薄い円盤と厚い円盤が、円盤銀河における棒構造および箱型/ピーナッツ（b/p）バルジにどのように対応するかを調査すること。
• 厚い円盤の力学的性質（質量、スケール長、速度分散）が棒構造およびb/pバルジの形態と運動学的性質に与える影響を系統的に入念に調査していない現状を補うこと。
• 角運動量の移動と軌道構造が、棒-b/pシステムにおける星の形態と線視速度をどのように決定づけるかを理解すること。
• 特にミルキーウェイを文脈として、円盤銀河の内側領域における星の集団間の観測された運動学的および形態的差異を物理的に解釈すること。

提案手法

• 薄い円盤（スケール高さ0.3 kpc、運動的に冷たい）と厚い円盤（スケール高さ0.9 kpc、運動的に高温）を有する孤立した円盤銀河のN体シミュレーションを実施する。
• 各円盤成分からの星粒子を別々に追跡し、棒構造およびb/pバルジ形成への寄与を個別に分析する。
• 円筒座標系の回転および角運動量移動解析を用いて、棒領域における運動学的挙動と軌道構造を研究する。
• 棒の主要軸に沿った線視速度（los）と密度プロファイルを測定し、形態的差異（例：X字型対箱型形状）を定量化する。
• 初期の半径方向速度分散の差異（∆σ）と最終的なlos速度差異（∆vlos）を相関させ、スケーリングの傾向を特定する。
• ARGOS、GES、APOGEE調査の観測データと比較して、運動学的傾向の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重円盤銀河モデルにおいて、薄い円盤と厚い円盤成分の棒構造およびb/pバルジの形態的性質はどのように異なるか？
• RQ2 b/pバルジの外側領域において、なぜ厚い円盤の星の線視速度が薄い円盤の星を上回るのか？
• RQ3 初期の半径方向速度分散の差異が、棒-b/p領域における最終的なlos速度差異とどの程度相関しているか？
• RQ4 角運動量の移動と軌道構造は、棒-b/pシステムにおける薄い円盤と厚い円盤の星の異なる形態的および運動学的特徴をどのように説明できるか？
• RQ5 外側の厚い円盤から来る大きな半径での振動と高い角運動量の星は、棒領域への分布にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 薄い円盤の棒は約50%強く、厚い円盤の棒の軸比のほぼ半分であるため、より引き延ばされた構造であることが示された。
• 薄い円盤は顕著なX字型のb/pバルジを形成するが、厚い円盤のb/pバルジは弱く、より箱型であり、明確な特徴は薄い円盤に比べて弱い。
• 棒の主要軸に沿ったb/p密度の谷（dip）は、厚い円盤の星では薄い円盤の星よりも弱く、かつ平面からの高さが大きい位置に位置している。
• 側面から見た場合、外側のb/p領域における厚い円盤の星の線視速度は、薄い円盤の星に比べ最大40%高い。ミルキーウェイに類似た向きでは20%高い。
• この速度差は、薄い円盤の星がより多くの角運動量を失い、より引き延ばされた軌道に捕獲されるのに対し、大きな半径から来ている高い角運動量の厚い円盤の星が、半径方向の振動を経て棒領域に到達できるため生じる。
• 初期の半径方向速度分散の差異（∆σ）と最終的な線視速度差異（∆vlos）の間に顕著な相関が存在し、星の集団の運動学的性質が棒-b/p特性を決定づけていることを確認した。