[論文レビュー] Gas Streams and Spiral Structure in the Milky Way

P. Englmaier|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2000

Astro and Planetary Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中心の棒構造と棒の短軸上に配置された追加の質量集中域の影響を組み合わせることで、観測されたガス力学および渦巻き構造を説明する非軸対称的・凍結質量モデルを提案する。このモデルは、棒構造と投影された星の構造の重力的影響下でガスの流れをシミュレートすることで、4アームのグランドデザイン渦巻き構造（特に3-kpcアームを含む）を再現し、銀河中心部の端速度曲線と禁制速度領域をうまく再現した。

ABSTRACT

The observed gas dynamics in the Milky Way can only be explained by a bar in the galactic center. Such a bar is directly visible in the near-IR maps of the bulge, where it causes a distinctive asymmetric light distribution pattern. Another large-scale structure is the grand-design 4-arm spiral pattern, most clearly observed in the spatial distribution of molecular gas and HII-regions. In order to model the observed gas flow structure, we constructed a model for the stellar mass distribution. For the inner 5 $\kpc$ we used the 3D deprojected near-IR light distribution, as observed by the COBE/DIRBE experiment, and added an analytical disk model outside the box as well as a halo model. With this frozen mass distribution, we computed the stationary gas flow for various deprojection parameters and pattern speeds. For all reasonable parameter choices, we obtain a 4-armed spiral pattern, which can be matched to the observed spiral arms. In the bar region, our model can explain the non-circular motion visible in the terminal velocity curve as well as part of the forbidden velocities. Inside the corotation, we also find 4 spiral arms, the nearest arm corresponds to the 3-kpc-arm, although only qualitatively. The missing southern 3-kpc-arm at the far end of the galaxy is explained by running parallel to another arm. Close to the center, we find gas on circular orbits forming a disk. Such a disk has been observed in emission of the CS molecule, however only part of the disk appears to be occupied by dense enough gas to be traced by CS. Further we compare our model to the distribution of OH/IR stars in the inner galaxy.

研究の動機と目的

• 銀河中心部における観測された非円形ガス運動、特に約0.5 kpc付近の回転曲線における急激なピークを、軸対称的モデルではなく棒由来のポテンシャルによって説明すること。
• 分子ガスおよびHII領域に観測される3-kpcアームやその他の渦巻き構造を、非軸対称的な質量分布を用いて説明すること。
• 近赤外ボーラスの光度的観測とガス力学的データを一貫した定常ガス流れモデルによって統合すること。
• 3-kpcアームや他の渦巻きアームが、独立した渦巻きモードではなく、棒構造と追加の構造的特徴によって駆動されているかどうかを検証すること。
• 棒構造と渦巻きアームが、銀河中心部全域におけるガス分布および運動学的特性をどのように形作っているかを制約すること。

提案手法

• COBE/DIRBEの投影された近赤外光を用いて、3次元の星の質量分布を構築し、軸比1:0.33:0.22、傾き約20°の三軸棒構造を含めた。
• 5 kpcを超える領域に解析的ディスク成分を追加し、ホール成分を導入して全質量予算と回転曲線に一致させる。
• さまざまな投影パラメータとパターン速度を想定し、質量モデルの凍結重力場下で定常ガス流れを計算した。
• 棒の短軸上に約4 kpcの位置に追加の質量集中域を設け、誤って投影された星の渦巻きアームを模倣した。
• 棒構造と渦巻き駆動力の影響下で、流体力学的シミュレーションを用いてガス力学を追跡し、端速度曲線と禁制速度領域に注目した。
• 分子ガスの分布、HII領域、およびCS放射を示す核的ディスクの観測結果と照合してモデルを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された銀河中心部の非円形運動、特に約0.5 kpcにおける回転曲線の急激なピークは、軸対称的モデルではなく棒由来のポテンシャルによって説明可能か？
• RQ2 現在の星形成が見られないにもかかわらず、分子ガスにおいて4アームのグランドデザイン渦巻き構造（特に3-kpcアーム）がどのように形成されるのか？
• RQ3 4～7 kpcの分子リング領域における渦巻き構造は、棒構造と短軸上質量集中域による重力的駆動力によってどの程度再現可能か？
• RQ4 3-kpcアームは安定的で長期間にわたる特徴であるのか、それとも一時的で、ガスおよび星の軌道力学とどのように関係しているのか？
• RQ5 観測されたガス運動学的特性と空間的分布は、棒構造と追加の構造的特徴を含む一貫した非軸対称的質量モデルによって一貫して説明可能か？

主な発見

• モデルは、4～7 kpcの分子リング領域において観測された4アームのグランドデザイン渦巻き構造（特に分子ガスおよびHII領域において）をうまく再現した。
• 3-kpcアームは、棒の駆動力によって生じる非円形で伸びた軌道のガスとして定性的に説明可能であり、動的におよそ高温で星形成が見られない状態と整合的である。
• 棒構造と短軸上質量集中域が組み合わさることで、ガスにおいて安定した4アーム渦巻き構造が生成され、観測された銀河中心部の渦巻き構造と一致した。
• モデルは、約0.5 kpcにおける端速度曲線のピークを、棒由来の非円形運動によって説明でき、軸対称的モデルにおける不一致を解消した。
• 中心約200 pcに核的ガスディスクが形成され、CS放射観測と整合的であるが、密度閾値のため一部しか追跡できなかった。
• モデルは、OH/IR星が3-kpcアームを直接示しているのではなく、コリレーション付近の閉じた軌道に関連している可能性を示唆しており、棒の端で誘発された星形成と関連している可能性がある。