[論文レビュー] Models for the 3-D axisymmetric gravitational potential of the Milky Way Galaxy - A detailed modelling of the Galactic disk

Douglas A. Barros, J. R. D. Lépine+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 76被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、近赤外星のカウントとHI/H2ガス分布を制約条件として用いた、ミルキーウェイの円盤の完全な解析的3次元重力ポテンシャルモデルを提示する。薄い・厚い星間およびガス成分に、高次の（1〜3次）Miyamoto-Nagai円盤を組み合わせ、バーレルとダークハローを加えることで、運動学的データと非常に良好に一致し、太陽の半径を越えた領域にリング密度構造を導入することにより、局所的な回転曲線の谷（R ≈ 9.0 kpc付近）を再現する。

ABSTRACT

Aims. Galaxy mass models based on simple and analytical functions for the density and potential pairs have been widely proposed in the literature. Disk models constrained by kinematic data alone give information on the global disk structure only very near the Galactic plane. We attempt to circumvent this issue by constructing disk mass models whose three-dimensional structures are constrained by a recent Galactic star counts model in the near-infrared and also by observations of the hydrogen distribution in the disk. Our main aim is to provide models for the gravitational potential of the Galaxy that are fully analytical but also with a more realistic description of the density distribution in the disk component. Methods. From the disk model directly based on the observations (here divided into the thin and thick stellar disks and the HI and H$_2$ disks subcomponents), we produce fitted mass models by combining three Miyamoto-Nagai disk profiles of any "model order" (1, 2, or 3) for each disk subcomponent. The Miyamoto-Nagai disks are combined with models for the bulge and "dark halo" components and the total set of parameters is adjusted by observational kinematic constraints. A model which includes a ring density structure in the disk, beyond the solar Galactic radius, is also investigated. Results. The Galactic mass models return very good matches to the imposed observational constraints. In particular, the model with the ring density structure provides a greater contribution of the disk to the rotational support inside the solar circle. The gravitational potential models and their associated force-fields are described in analytically closed forms, and in addition, they are also compatible with our best knowledge of the stellar and gas distributions in the disk component. The gravitational potential models are suited for investigations of orbits in the Galactic disk.

研究の動機と目的

• 現実的な円盤質量分布を反映する、完全な解析的3次元重力ポテンシャルモデルをミルキーウェイに対して開発すること。
• 星およびガス円盤分布の観測的制約を組み込むことで、運動学的データに依存するモデルの限界を克服すること。
• 太陽円の外側に位置するリング密度構造を導入することで、回転曲線のフィッティングを改善すること。
• 閉形式のポテンシャルおよび力場を用いて、銀河円盤内での正確かつ高速な軌道計算を可能にすること。
• リング構造がR ≈ 9.0 kpc付近の回転曲線における局所的な谷を説明できるか、そして最大円盤仮説を支持できるかを検証すること。

提案手法

• 薄い・厚い星間円盤、HI/H2円盤ごとに3つのMiyamoto-Nagaiプロファイルを用い、柔軟性を高めるためにモデル次数を1、2、3に設定する。
• 星間円盤構造の観測的制約にはPJL（2013）の近赤外星カウントモデルを、ガス円盤には最近のHI/H2分布調査を用いる。
• 円盤、バーレル、ダークハロー成分の合計ポテンシャルを、観測された回転曲線と局所的運動学的データに一致させるようにパラメータを調整する。
• 太陽円の外側に位置するリング密度構造を導入し、R ≈ 9.0 kpc付近の回転曲線の谷を説明する。リングの半径分布は、渦巻き腕における共鳴駆動形成に基づく。
• Smithら（2015）の方法を応用し、高次のプロファイルを用いたMiyamoto-Nagai円盤を構築することで、観測された面密度プロファイルをよりよく再現する。
• すべてのポテンシャルおよび力場が解析的に閉形式であることを保証し、銀河円盤研究における効率的な軌道積分を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な解析的3次元重力ポテンシャルモデルは、現実的な3次元円盤密度分布を組み込みつつ、観測された運動学的制約を再現できるか？
• RQ2 太陽円の外側に位置するリング密度構造を含めることで、特にR ≈ 9.0 kpc付近の観測された回転曲線のフィッティングが向上するか？
• RQ3 2次および3次の高次のMiyamoto-Nagai円盤は、標準の1次プロファイルに比べて、円盤成分の垂直方向および半径方向構造をどれほどよりよく表現できるか？
• RQ4 リング構造は太陽円内での円盤の回転支持への寄与をどのように変化させ、最大円盤仮説を支持するか？
• RQ5 本モデルは、太陽円の外側にまで及ぶが、銀河円盤内での軌道積分に信頼性があり、高速かつ解析的に扱えるポテンシャルを提供できるか？

主な発見

• リング密度構造を含むモデルは、R ≈ 9.0 kpc付近に位置する観測された回転曲線の谷を良好に再現し、これは密度の最小値に続く同程度の大きさの最大値に起因するとされる。
• リング構造は太陽円内での円盤の回転支持への寄与を増加させ、ミルキーウェイが最大円盤銀河であることを支持する。
• 高次のMiyamoto-Nagaiプロファイル（2次および3次）は、薄い・厚い星間円盤およびガス成分の観測された半径方向および垂直方向密度プロファイルをよりよく再現する。
• 合計重力ポテンシャルおよび関連する力場は、解析的に閉形式で表現されており、高速かつ正確な軌道計算が可能である。
• 入力データの空間的カバー範囲内（特に半径 ≤ 2R₀および高さ |z| ≤ 3 kpc）ではモデルは信頼性があるが、この範囲を超えた外挿は不確実である。
• 球対称の対数ポテンシャル成分を含めることで、R ≈ 2R₀まで回転曲線データをフィット可能となったが、これは円盤／バーレルの質量対光度傾向を反映している可能性が高く、明確な物理的成分とは限らない。