[論文レビュー] Kinematics in galactic tidal tails - A source for Hypervelocity stars?

T. Piffl, M. Williams+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 61被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、銀河のハローに観測されたハイパーバロシティースター（HVSs）が、中心に存在する超大質量ブラックホールによる噴出によって発生するのではなく、破壊された衛星銀河の潮汐デブリに由来する可能性があるかどうかを調査している。N体シミュレーションと解析的剥ぎ取りモデルを用いて、著者らは質量が大きい衛星（M > 10⁹ M⊙）が潮汐相互作用によって運動量を獲得した未束縛の星を生成できることを示しているが、運動学的および金属量の不一致のため、そのような星が観測されたHVS集団と一致する確率は低いと結論している。

ABSTRACT

[abridged] In this work we study in detail the kinematics of tidal debris stars to investigate the implications of the new scenario that the observed sample of Hypervelocity stars could partly originate from a dwarf-host galaxy collision. We use a suite of N-body simulations following the encounter of a satellite galaxy with its Milky Way-type host galaxy to gather statistics on the properties of stripped-off stars. We study especially the orbital energy distribution of this population. We quantify the typical pattern in angular and phase space formed by the debris stars. We further develop a simple stripping model predicting the kinematics of stripped-off stars. We show that the distribution of orbital energies in the tidal debris has a typical form which can be described quite accurately by a simple function. Based on this we develop a method to predict the energy distribution which allows us to evaluate the significance and the implications of high velocity stars in satellite tidal debris. Generally tidal collisions of satellite galaxy produce stars which escape into the intragalactic space even if the satellite itself is on a bound orbit. The main parameters determining the maximum energy kick a tidal debris star can get is the initial mass of the satellite and only to a lower extent its orbit. Main contributors to an unbound stellar population created in this way are massive satellites (M_sat > 10^9 M_sun). We thus expect intragalactic stars to have a metallicity higher than the surviving satellite population of the Milky Way. However, the probability that the observed HVS population is significantly contaminated by tidal debris stars appears small in the light of our results.

研究の動機と目的

• 破壊された衛星銀河からの潮汐デブリが、観測されたハイパーバロシティースター（HVSs）と同等の速度を持つ星を生成できるかどうかを評価すること。
• 衛星-主銀河の遭遇中に剥ぎ取られた星の運動学的性質（特に軌道エネルギー分布）を特定すること。
• 観測されたHVS集団が、ブラックホールによる噴出メカニズムの単独の産物ではなく、潮汐デブリ由来の星によって著しく汚染されている可能性を評価すること。
• 完全なN体シミュレーションを必要としない、星の潮汐剥ぎ取りによるエネルギー分布を予測する簡単な解析的モデルを構築すること。
• 潮汐剥ぎ取りによって形成される可能性のある銀河間星集団の金属量および質量分布を推定すること。

提案手法

• ミルキーウェイ型の主銀河による衛星銀河の潮汐破壊をモデル化するための41体のN体シミュレーションを実施。
• 剥ぎ取られた星の軌道エネルギー分布を分析し、位相空間および角度空間における特徴的なパターンを同定。
• エネルギーのキック推定（式13）に基づく解析的剥ぎ取りモデルを構築し、最大の噴出速度を予測。
• 剥ぎ取られた星のエネルギー分布を自己相似関数（式17）でフィッティングし、特徴的なエネルギーと正規化係数でパrameter化。
• フィッティング関数を用いて、衛星質量および初期軌道に依存する、未束縛の星としてのバリオン質量の割合を計算。
• 質量噴出関数を観測された衛星の等光度関数（Koposov et al. 2008）と畳み込み、累積的HVS質量生成関数を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 破壊された衛星銀河からの潮汐デブリが、観測されたハイパーバロシティースターと同等の速度を持つ星を生成できるか？
• RQ2 衛星-主銀河の遭遇中に剥ぎ取られる星の特徴的なエネルギー分布は何か？
• RQ3 衛星の初期質量および軌道パラメータが、最大速度および未束縛星の割合に与える影響は何か？
• RQ4 観測されたHVS集団が、ブラックホールによる噴出とは別に、潮汐デブリ由来の星によって著しく汚染されている確率はどれくらいか？
• RQ5 潮汐剥ぎ取りによって形成される銀河間星集団の期待される金属量特性は何か？

主な発見

• 質量が大きい衛星（M > 10⁹ M⊙）から剥ぎ取られた星は未束縛の速度に達することができ、最大のエネルギーキックは主に衛星の初期質量に依存する。
• 潮汐的に剥ぎ取られた星のエネルギー分布は自己相似的形（式17）に従い、特徴的なエネルギーと正規化係数の2つのパrameterで正確に記述できる。
• 速度が500 km s⁻¹を超える星を生成できるのは、質量が10¹¹ M⊙を超える衛星に限られ、このような高速噴出は非常に大きな母体または未束縛の衛星軌道を必要とする。
• 潜在的な銀河間星集団質量の95％がM > 10⁹ M⊙の衛星に由来する。これは、宇宙論的シミュレーションと整合的である。
• 潮汐的に剥ぎ取られた星は、生存している衛星集団よりも平均的に高い金属量を示すと予想される。これは、より質量が大きく金属が豊富な星が好んで噴出するためである。
• 観測されたHVSの旅行時間におけるクラスタリングおよび非等方的天球分布は、潮汐デブリによっては容易に説明できず、運動学的不一致のため、この源からのHVSサンプルへの著しい汚染はほとんどありえない。