[論文レビュー] Dear Magellanic Clouds, welcome back!

Eugene Vasiliev|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、N体シミュレーションにより現在の観測的制約と整合する軌道的力学を示す結果に基づき、大マジラン銀河（LMC）が銀河系の2回目の近接通過を経験している可能性を提唱している。2回目の通過シナリオは、LMCの潮汐破片の広がった分布を説明でき、LMCが4〜6個の失われた矮星族銀河（古典的dSphを含む、カイナとドラコを例に挙げるとそれぞれ過去にマゼラン系に属していた可能性が約50％）を伴ってやってきた可能性を示唆し、『衛星の平面』問題の解決策を提示する。

ABSTRACT

We propose a scenario in which the Large Magellanic Cloud (LMC) is on its second passage around the Milky Way. Using a series of tailored N-body simulations, we demonstrate that such orbits are consistent with current observational constraints on the mass distribution and relative velocity of both galaxies. The previous pericentre passage of the LMC could have occurred 5-10 Gyr ago at a distance >~100 kpc, large enough to retain its current population of satellites. The perturbations of the Milky Way halo induced by the LMC look nearly identical to the first-passage scenario, however, the distribution of LMC debris is considerably broader in the second-passage model. We examine the likelihood of current and past association with the Magellanic system for dwarf galaxies in the Local Group, and find that in addition to 10-11 current LMC satellites, it could have brought a further 4-6 galaxies that have been lost after the first pericentre passage. In particular, four of the classical dwarfs - Carina, Draco, Fornax and Ursa Minor - each have a ~50% probability of once belonging to the Magellanic system, thus providing a possible explanation for the ``plane of satellites'' conundrum.

研究の動機と目的

• 大マジラン銀河（LMC）が銀河系の2回目の通過を経験している可能性を調査し、支配的とされる1回目の通過シナリオに挑戦すること。
• LMCの質量、速度、距離に関する現在の観測的制約と、2回目の通過軌道がどの程度整合するかを評価すること。
• LMCの潮汐破片の分布および銀河系のハローに及ぼされる摂動の影響を検討すること。
• 特に古典的dSphに対して、Local Groupの矮星族銀河とマゼラン系との過去の関連性の可能性を評価すること。
• 公開済みのシミュレーションデータおよびツールを用いて、新しく発見された衛星のマゼラン系への関連性をテストするためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 銀河系–LMC系の、特化したN体シミュレーションを実施し、両方の銀河を衝突しないN体系としてモデル化した。
• Agama星間動力学ツールボックスを用いて、LMCおよび銀河系の平衡状態モデルを構築し、両方のダークマターハローに滑らかなカットオフを施したNFW型密度プロファイルを組み込んだ。
• 銀河系を球対称のダークマターハロー、断片化したヘルヌイスト型のバルジ、指数的ディスクでモデル化し、観測された質量および円運動速度プロファイルと一致するように調整した。
• 銀河系およびLMCの全質量を変化させ、軌道周期およびエネルギー制約を調査し、現在のデータと整合するわずかに束縛された軌道に焦点を当てた。
• LMCの潮汐破片を追跡し、銀河系のハローに生じる摂動を1回目の通過シナリオと比較した。
• Zenodoリポジトリを通じて、公開済みのシミュレーションスナップショット、時間依存ポテンシャル、解析スクリプトを提供し、将来的な衛星関連性の研究を可能にした。

Figure 1: Enclosed mass profiles of the Milky Way (top series of curves) and LMC (bottom series). The two Milky Way models, $\mathcal{M}$ 10 and $\mathcal{M}$ 11, differ by $\lesssim 10\%$ in the plotted radial range and change little during the evolution (shown are the current profiles). By contras

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LMCの現在の軌道が、1回目の通過ではなく2回目の通過であると整合的であるか？
• RQ2 1回目と2回目の通過シナリオにおけるLMCの潮汐破片の分布は、どのように異なるか？
• RQ3 銀河系のハローに生じる摂動の多くが、2回目の通過軌道によって説明可能である程度はどの程度か？
• RQ4 カイナ、ドラコ、フォルナックス、ウラス・マイノルなどの古典的dSphが、かつてマゼラン系に属していた可能性はどの程度か？
• RQ5 LMCが最初の近点通過時に、現在知られている10〜11個のLMC衛星に加えて、さらに何個の矮星族銀河を伴っており、その後に失ったと考えられるか？

主な発見

• 2回目の通過シナリオは、特に銀河系質量が10^12 M☉前後（20〜30％の不確実性を伴う）のとき、LMCの質量、速度、距離に関する現在の観測的制約と整合的である。
• 2回目の通過モデルでは、1回目の通過シナリオと比較して、LMCの潮汐破片の分布がはるかに広がっていることが判明し、これが主要な判別基準となる。
• LMCは、最初の近点通過後に10〜11個の既知のLMC衛星に加え、4〜6個の追加の矮星族銀河を伴っており、その後に失った可能性がある。
• カイナ、ドラコ、フォルナックス、ウラス・マイノルといった古典的dSphは、それぞれ約50％の確率でかつてマゼラン系に属していた可能性を示し、『衛星の平面』問題の妥当な説明となる。
• 銀河系ポテンシャルおよびLMCパラメータの不確実性にもかかわらず、軌道がわずかに束縛されており、エネルギーにわずかな変化に敏感であるため、このシナリオは依然として妥当である。
• Zenodoを通じて、公開済みのシミュレーションデータおよび解析ツールを提供しており、今後の新規衛星のマゼラン系関連性のテストを可能にしている。

Figure 2: Illustration of accuracy of orbit reconstruction, using possible orbits of two satellite galaxies as an example. Left column shows the difference in position between the trajectories of particles in the original simulation and their reconstructed orbits in the approximated potential, start