[論文レビュー] Gaia-DR2 extended kinematical maps. Part II: Dynamics in the Galactic disk explaining radial and vertical velocities

M. López‐Corredoira, F. Garzón+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、ガイヤー・ドリーム2（Gaia-DR2）の拡張された運動学的マップを分析し、特に13 kpcを超える領域における銀河ディスク内の半径方向および垂直方向の速度勾配の背後にある力学的メカニズムを調査する。解析的モデルとシミュレーションを用いて、観測された速度構造、特に外縁部での構造は、標準的な平衡モデルでは説明できないが、進行中の進化またはサジタリウス・準惑星団のような外部摂動による非平衡的ダイナミクスを要する。

ABSTRACT

Context: In our Paper I, by using statistical deconvolution methods, extended kinematics maps of Gaia-DR2 data have been produced in a range of heliocentric distances that are a factor of two to three larger than those analyzed previously by the Gaia Collaboration with the same data. It added the range of Galactocentric distances between 13 kpc and 20 kpc to the previous maps. Aims: Here, we investigate the dynamical effects produced by different mechanisms that can explain the radial and vertical components of these extended kinematic maps, including a decomposition of bending and breathing of the vertical components. This paper as a whole tries to be a compendium of different dynamical mechanisms whose predictions can be compared to the kinematic maps. Methods: Using analytical methods or simulations, we are able to predict the main dynamical factors and compare them to the predictions of the extended kinematic maps of Gaia-DR2. Results: The gravitational influence of Galactic components that are different from the disk, such as the long bar or bulge, the spiral arms, or a tidal interaction with Sagittarius dwarf galaxy, may explain some features of the velocity maps, especially in the inner parts of the disk. However, they are not sufficient in explaining the most conspicuous gradients in the outer disk. Vertical motions might be dominated by external perturbations or mergers, although a minor component may be due to a warp whose amplitude evolves with time. Here, we show with two different methods, which analyze the dispersion of velocities, that the mass distribution of the disk is flared. Despite these partial explanations, the main observed features can only be explained in terms of out-of-equilibrium models, which are either due to external perturbers or to the fact that the disk has not had time to reach equilibrium since its formation.

研究の動機と目的

• 13 kpcを超える銀河中心距離における拡張されたガイヤー・ドリーム2（Gaia-DR2）運動学的マップで観測された半径方向および垂直方向の速度勾配の力学的起源を調査すること。
• 長期間の棒構造、バルジ、スパイラルアーム、または潮汐相互作用といった標準的な重力的成分が、観測された運動学的特徴を説明できるかどうかを評価すること。
• ディスクのフラーリング（flaring）と非平衡的ダイナミクスが、観測された速度分散および平均運動をどのように形作っているかを検討すること。
• 観測された運動学的パターンが平衡モデルと整合的であるか、それとも非定常的で進化を続けるディスク構成を必要とするかを特定すること。
• 非平衡効果が結果にバイアスを及える可能性がある低密度外縁部の外側ディスク領域において、ジェインス方程式に基づくモデリングの妥当性を評価すること。

提案手法

• ルーシーの逆問題法（Lucy's inversion method）を用いた統計的デコンボリューションを適用し、ガイヤー・ドリーム2（Gaia-DR2）の視差誤差を拡張して、銀河中心距離20 kpcまで及ぶ運動学的マップを生成した。
• 棒、スパイラルアーム、潮汐相互作用を含むさまざまな力学的メカニズムからの速度パターンを予測するために、解析的モデルとN体シミュレーションを用いた。
• 銀河の中央面を基準として、垂直速度を曲げモード（対称）と呼吸モード（反対称）に分解した。
• 速度分散プロファイルの分析を通じてディスクのフラーリングを推定し、形状的フラーリング測定と比較した。
• 特に低密度の外縁部において、非平衡系におけるジェインス方程式の限界を評価した。
• 非円形軌道および顕著な垂直運動を示す非平衡的で自己重力的かつ非対称なディスクモデルのクラスを提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガイヤー・ドリーム2（Gaia-DR2）運動学的マップで観測された13 kpcを超える領域における半径方向および垂直方向の速度勾配を説明できる力学的メカニズムは何か？
• RQ2 銀河の棒構造、バルジ、スパイラルアーム、またはサジタリウス準惑星団の重力的影響が、観測された運動学的特徴をどの程度説明できるか？
• RQ3 観測されたディスクスケールヘイト（フラーリング）の増加は、速度分散の傾向と整合的であるか。これはフラーディストリビューション（質量分布）の支持となるか？
• RQ4 ジェインス方程式に基づく平衡モデルは外縁部を適切に記述できるか。それとも非平衡効果が支配的であるか？
• RQ5 外縁部における観測された速度勾配は、まだ平衡状態に近づこうとしているディスクに起因するのか。それとも外部摂動を要するのか？

主な発見

• 長期間の棒構造、バルジ、スパイラルアーム、およびサジタリウス準惑星団との潮汐相互作用の重力的影響は、内縁部の一部の特徴を説明できるが、外縁部で最も顕著な速度勾配の説明には不十分である。
• 外縁部における垂直速度運動は、外部摂動または過去の合体に起因している可能性が高く、時間的に変化するワープのわずかな寄与も可能性として残る。
• 銀河ディスクの質量分布はフラーディストリビューションであると示され、銀河中心距離に応じてスケールヘイトと速度分散の両方が増加しており、過去の形態的研究と整合的である。
• ジェインス方程式に基づくモデリングでは、外縁部の低密度領域でバイアスが生じており、正確な質量推定には非平衡的ダイナミクスを考慮する必要がある。
• 観測された運動学的特徴、特に外縁部における大きな速度勾配と非円形軌道は、平衡モデルでは説明できず、むしろ進行中の力学的進化を示唆する。
• 非平衡的モデル、すなわちディスク形成以降の完全な緩和が行われていないか、または継続的な外部摂動によるものであるが、観測データを最も一貫して説明できるフレームワークを提供する。