[論文レビュー] Measuring the Sun's velocity using Gaia EDR3 observations of Stellar Streams

Khyati Malhan, Rodrigo Ibata+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、17個の星流のガウスEDR3観測を用いて、銀河ハローに対する太陽の速度を測定し、非回転フレームにおける星流の自己運動の幾何的整合性を活用して太陽の反射運動を推定する。V_{R,\odot} = 8.88^{+1.20}_{-1.22} km s^{-1}、V_{\phi,\odot} = 241.91^{+1.61}_{-1.73} km s^{-1}、V_{z,\odot} = 3.08^{+1.06}_{-1.10} km s^{-1} を報告し、z成分はSgr A*の運動に基づく先行測定とわずかに有意な差異を示す。

ABSTRACT

We measure the Sun's velocity with respect to the Galactic halo using Gaia Early Data Release 3 (EDR3) observations of stellar streams. Our method relies on the fact that, in low-mass streams, the proper motion of stars should be directed along the stream structure in a non-rotating rest frame of the Galaxy, but the observed deviation arises due to the Sun's own reflex motion. This principle allows us to implement a simple geometrical procedure, which we use to analyse 17 streams over a $\sim 3-30$ kpc range. Our constraint on the Sun's motion is independent of any Galactic potential model, and it is also uncorrelated with the Sun's galactocentric distance. We infer the Sun's velocity as $V_{R,\odot}=8.88^{+1.20}_{-1.22}\, m{kms^{-1}}$ (radially towards the Galactic centre), $V_{ϕ,\odot}=241.91^{+1.61}_{-1.73}\, m{kms^{-1}}$ (in the direction of Galactic rotation) and $V_{z,\odot}=3.08^{+1.06}_{-1.10}\, m{kms^{-1}}$ (vertically upwards), in global agreement with past measurements through other techniques; although we do note a small but significant difference in the $V_{z,\odot}$ component. Some of these parameters show significant correlation and we provide our MCMC output so it can be used by the reader as an input to future works. The comparison between our Sun's velocity inference and previous results, using other reference frames, indicates that the inner Galaxy is not moving with respect to the inertial frame defined by the halo streams.

研究の動機と目的

• 銀河ポテンシャルモデルに依存しない形で、太陽の銀河ハローに対する三次元速度を決定すること。
• 軸対称性や定常状態の力学的仮定、局所標準速度の仮定を避けるために、星流を運動 tracer として用いること。
• 低質量星流の自己運動に基づいて、太陽の運動をモデルに依存しない幾何的制約として提供すること。
• 特にハロー基準系とディスク基準系の測定を比較することで、太陽の速度が異なる基準系で一貫しているかを検証すること。
• 今後の動力学的モデリングやダークマター検出研究に利用可能なMCMC事後分布サンプルを提供すること。

提案手法

• ガウスEDR3の天体測定を用いて、銀河中心から3–30 kpcの範囲に広がる17個の低質量星流の自己運動を特定・追跡する。
• 非回転銀河静止フレームにおいて、星流の星はその接線方向に平行に運動すると仮定する幾何的手法を適用する。
• この整合性からのずれを、ハローに対する太陽の速度に起因する反射運動の直接的兆候として測定する。
• MCMCを用いた尤度ベースのフィットを実行し、太陽の速度の3成分（半径方向 V_{R,\odot}、回転方向 V_{\phi,\odot}、垂直方向 V_{z,\odot}）を推定する。
• 銀河ポテンシャルや円運動速度に関する仮定を一切用いずに、観測された星流の幾何と自己運動に依存する。
• 今後のクロス比較や他の動力学的モデルへの統合を可能にするために、全3成分のMCMC事後分布サンプルを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ポテンシャルモデルに依存しない形で、太陽の銀河ハローに対する速度は何か？
• RQ2 星流から推定された太陽の運動の3成分（半径方向、回転方向、垂直方向）は、他の手法による測定とどのように一致するか？
• RQ3 ハロー基準系とディスク／銀河中心基準系の測定との間に、垂直速度成分 V_{z,\odot} に有意な差異があるか？
• RQ4 星流運動の解析から示唆されるように、銀河の内側領域はハローに対して運動していると見なせるか？
• RQ5 星流は、自己一貫性があり、幾何的かつモデルに依存しない形で、ミルキーウェイにおける太陽の運動を測定可能か？

主な発見

• 太陽の銀河中心方向への半径方向速度は V_{R,\odot} = 8.88^{+1.20}_{-1.22} km s^{-1} と測定され、先行推定値と整合的である。
• 銀河回転方向の回転速度は V_{\phi,\odot} = 241.91^{+1.61}_{-1.73} km s^{-1} であり、最近の高精度測定と良好に一致している。
• 垂直速度成分 V_{z,\odot} = 3.08^{+1.06}_{-1.10} km s^{-1} は、Sgr A*の自己運動から推定された 8.49 ± 0.27 km s^{-1} より顕著に低い。
• V_{z,\odot} の差異は、内側銀河と外側銀河の間で相対運動が存在する可能性を示唆しており、外部からの摂動が関係している可能性がある。
• 銀河ポテンシャルや銀河中心からの距離に依存しない測定であるため、動力学的モデリングによる系統誤差が低減される。
• 全3成分のMCMC事後分布サンプルは、今後の銀河動力学およびダークマター研究への統合を可能にするために公開されている。