[論文レビュー] Hypervelocity Stars in the Gaia era. Revisiting the most extreme stars from the MMT survey

S. Kreuzer, A. Irrgang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 88被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、Gaia DR2の位置・運動量、再分析された径速度、分光的距離を用いて、MMT HVS調査から最も極端なハイパーバロシティースター（HVS）を再分析し、3次元運動学的特性と起源を特定する。その結果、銀河中心からのヒルズ機構による噴出が最も妥当であるとされるHVS 22（銀河系静止フレーム速度1530⁺⁶⁹⁰₋₅₆₀ km s⁻¹）を除き、他の大多数のHVSは銀河の円盤またはその外縁から来ている可能性が高く、中心からの起源は不適切であることが判明した。

ABSTRACT

The hypervelocity star (HVS) survey conducted at the Multiple Mirror Telescope (MMT) identified 42 B-type stars in the Galactic halo whose radial velocity in the Galactic rest-frame exceeds $+275\,$km$\,$s${}^{-1}$. In order to unravel the nature and origin of those high-velocity outliers, their complete six-dimensional phase space information is needed. To this end, we complemented positions and proper motions from the second data release of {\it Gaia} with revised radial velocities and spectrophotometric distances that are based on a reanalysis of the available MMT spectra of 40 objects using state-of-the-art model spectra and a tailored analysis strategy. The resulting position and velocity vectors for 37 stars were then used as input for a subsequent kinematic investigation to obtain as complete a picture as possible. The combination of projected rotational velocity, position in the Kiel diagram, and kinematic properties suggests that all objects in the sample except two (B576, B598) are very likely to be main sequence stars. While the available data are still not precise enough to constrain the place of origin for 19 program stars, we identified eight objects that either come from the outer rim of the Galactic disk or not from the disk at all, along with ten that presumably stem from the Galactic disk. For almost all of those 18 targets with more or less well-constrained spatial origin, the Galactic center (GC) is disqualified as a possible place of origin. The most notable exception is B576, the origin of which coincides extremely well with the GC when assuming a blue horizontal branch (BHB) nature for it. HVS$\,$22 is by far the most extreme object in the sample. Although its origin is completely unconstrained, an ejection from the GC by the Hills mechanism is the most plausible explanation for its current Galactic rest-frame velocity of $1530^{+690}_{-560}\,$km$\,$s${}^{-1}$.

研究の動機と目的

• Gaia DR2の位置・運動量と再分析された径速度を用いて、MMT HVS調査の40個のハイパーバロシティースターの3次元位相空間運動学的特性を特定すること。
• 投影回転速度、キール図における位置、および運動学的特性を用いてHVSの進化状態を分類すること。
• 6次元位相空間情報（位置と速度）を用いて、過去の軌道を逆方向に統合することで、各HVSの起源を制約すること。
• 特にヒルズ機構がこのような極端な速度を生み出す理論的潜在能力を考慮すると、銀河中心がHVSの起源として妥当かどうかを検証すること。
• 代替の起源、特に銀河円盤や大マゼラン雲のような銀河外源の妥当性を評価すること。

提案手法

• 最新のモデル大気を用いて再分析したMMTスペクトルから得られた修正された径速度と、Gaia DR2の位置・運動量を統合する。
• 独自に調整した分析戦略を用いて、40個のHVSの分光的距離を計算し、過去の推定値よりも精度を向上させる。
• 37個の星に対して完全な6次元位相空間ベクトル（位置と速度）を構築し、逆方向の軌道統合を可能にする。
• 運動学的モデリングと軌道統合を用いて、HVSの軌道を追跡し、銀河中心や銀河円盤といった可能性のある起源を評価する。
• 投影回転速度とキール図における位置に基づいて、星を主系列星、BHB、その他に分類する。
• 超大質量ブラックホールからの理論的噴出速度と観測されたHVS 22の速度を比較することで、ヒルズ機構の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再分析された分光的および光度的パラメータに基づき、MMT調査の40個のHVSの真の性質（主系列星、BHBなど）は何か？
• RQ2 HVSは主に銀河円盤、その外縁、あるいは銀河中心から起源を発するのか？
• RQ3 特に記録的な速度を示すHVS 22に対して、銀河中心は妥当な起源であるか？
• RQ4 特に一部のHVSに適切な運動量制約がない状況を考慮しても、ヒルズ機構は観測された速度を説明できるのか？
• RQ5 HVSの運動学的特性は、二重星超新星および動的噴出メカニズムの予測とどのように一致するか？

主な発見

• B576とB598を除くすべてのHVSは、投影回転速度およびキール図における位置から、非常に高い確率で主系列星であると判明した。
• アストロメトリック精度が不十分なため、19個の星の起源は特定できないが、18個の星については起源が比較的よく制約されている。
• 8個のHVSは銀河円盤の外縁部または円盤外縁から発生した可能性が高く、10個のHVSは円盤起源と整合的である。
• 銀河中心は、B576を除き、ほぼすべてのHVSの起源として不適切であると除外された。B576は、青水平枝星である場合、銀河中心と極めて良好な空間的一致を示す。
• 銀河系静止フレーム速度が1530⁺⁶⁹⁰₋₅₆₀ km s⁻¹に達するHVS 22は、最も極端な対象であり、ヒルズ機構による銀河中心からの噴出が最も妥当である。
• 本研究は、古典的噴出メカニズム（二重星超新星、動的噴出）では500 km s⁻¹を超える速度を説明できないことを確認し、極端なHVSに対してヒルズ機構の必要性を強化した。