[論文レビュー] Distance and extinction to the Milky Way spiral arms along the Galactic centre line of sight

F. Nogueras-Lara, R. Schödel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 101被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、GALACTICNUCLEUS調査による高分解能JHKs光度測定を用い、銀河中心方向の視線に沿って4つの渦巻き腕への距離と減光量を決定した。χ²最小化を用いて合成色magモデルをデータに適合させることで、それぞれ1.6 ± 0.2、2.6 ± 0.2、3.9 ± 0.3、4.5 ± 0.2 kpcの距離に位置する渦巻き腕が特定され、Hバンドにおける減光量はそれぞれ0.35 ± 0.08、0.77 ± 0.08、1.68 ± 0.08、2.30 ± 0.08 magであった。また、すべての特徴に対して一貫した近赤外減光則が確認された。

ABSTRACT

The position of the Sun inside the Milky Way's disc hampers the study of the spiral arm structure. We aim to analyse the spiral arms along the line-of-sight towards the Galactic centre (GC) to determine their distance, extinction, and stellar population. We use the GALACTICNUCLEUS survey, a JHKs high angular resolution photometric catalogue (0.2") for the innermost regions of the Galaxy. We fitted simple synthetic colour-magnitude models to our data via $\chi^2$ minimisation. We computed the distance and extinction to the detected spiral arms. We also analysed the extinction curve and the relative extinction between the detected features. Finally, we built extinction-corrected Ks luminosity functions (KLFs) to study the stellar populations present in the second and third spiral arm features. We determined the mean distances to the spiral arms: $d1=1.6\pm0.2$, $d2=2.6\pm0.2$, $d3=3.9\pm0.3$, and $d4=4.5\pm0.2$ kpc, and the mean extinctions: $A_{H1}=0.35\pm0.08$, $A_{H2}=0.77\pm0.08$, $A_{H3}=1.68\pm0.08$, and $A_{H4}=2.30\pm0.08$ mag. We analysed the extinction curve in the near infrared for the stars in the spiral arms and found mean values of $A_J/A_{H}=1.89\pm0.11$ and $A_H/A_{K_s}=1.86\pm0.11$, in agreement with the results obtained for the GC. This implies that the shape of the extinction curve does not depend on distance or absolute extinction. We also built extinction maps for each spiral arm and obtained that they are homogeneous and might correspond to independent extinction layers. Finally, analysing the KLFs from the second and the third spiral arms, we found that they have similar stellar populations. We obtained two main episodes of star formation: $>6$ Gyr ($\sim60-70\%$ of the stellar mass), and $1.5-4$ Gyr ($\sim20-30\%$ of the stellar mass), compatible with previous work. We also detected recent star formation at a lower level ($\sim10\%$) for the third spiral arm.

研究の動機と目的

• 太陽が銀河ディスク内に位置するため、高いダストおよびガス減光のため、渦巻き腕構造の詳細な研究が困難である。
• 既存の調査では、極めて遮蔽の強い銀河平面内部の微細構造を解像するのに十分な深さと空間分解能が欠けている。
• 銀河中心方向の視線に沿った渦巻き腕への正確な距離および減光量の測定は、銀河のディスク構造と星の集団を理解するために不可欠である。
• 本研究の目的は、高空間分解能近赤外光度測定を用いて、銀河の最内部ディスク領域における渦巻き腕の距離、減光量、星の集団を特徴づけることである。
• また、異なる渦巻き腕特徴における減光則の一貫性を検証し、星形成歴を評価することを目的とする。

提案手法

• GALACTICNUCLEUS調査から得られた高空間分解能（0.2′′）のJHKs光度測定を用い、銀河の最内部バルジおよび核的星ディスクをカバーする。
• 観測されたCMD（H対J−H）に合成色magモデルをχ²最小化で適合させ、渦巻き腕特徴への距離と減光量を導出する。
• Ks対H−Ks CMDにおける特徴を用いてAKsを用いた減光マップを構築し、視線方向における一様性と空間的変動を評価する。
• 各渦巻き腕の星に対して減光比AJ/AHおよびAH/AKsを計算し、距離や減光量に依存しない減光則の一貫性を検証する。
• GALACTICNUCLEUSの源をGaia DR2とクロスマッチングすることで、2番目に近い渦巻き腕の距離を独立に推定し、妥当性を検証する。
• 2番目および3番目の渦巻き腕のKsバンド光度関数（KLF）を解析し、理論的モデル（Parsec）の線形結合をフィットさせることで星形成歴（SFH）を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心方向の視線に沿って、渦巻き腕までの距離と減光量は何か？
• RQ2 距離や絶対的減光量に依存せず、近赤外減光則が異なる渦巻き腕間で一貫しているか？
• RQ3 各渦巻き腕の減光マップは一様であるか。これは、独立した減光層を示唆するか？
• RQ4 2番目および3番目の渦巻き腕の星形成歴は何か。それらの星の集団はどのように比較できるか？
• RQ5 得られた距離および減光量は、Gaia DR2からの独立した測定と一致するか？

主な発見

• 4つの渦巻き腕の平均距離は、d1 = 1.6 ± 0.2 kpc、d2 = 2.6 ± 0.2 kpc、d3 = 3.9 ± 0.3 kpc、d4 = 4.5 ± 0.2 kpcであった。
• Hバンドにおける平均減光量は、AH1 = 0.35 ± 0.08 mag、AH2 = 0.77 ± 0.08 mag、AH3 = 1.68 ± 0.08 mag、AH4 = 2.30 ± 0.08 magであった。
• 減光比AJ/AH = 1.89 ± 0.11およびAH/AKs = 1.86 ± 0.11は、すべての渦巻き腕で一貫しており、近赤外領域における一定の減光則を示している。
• 各渦巻き腕の減光マップは一様であり、視線方向に顕著な空間的変動は認められず、独立した減光層を示している可能性が高い。
• 2番目および3番目の渦巻き腕は類似した星の集団を有しており、2つの主要な星形成エピソードが確認された：6 Gyr以前（星の質量の60–70%）、および1.5–4 Gyr以前（20–30%の星の質量）。
• 3番目の渦巻き腕では、年齢1 Gyr未満の小型の最近の星形成エピソード（星の質量の約10%）が検出された。