[論文レビュー] $S^5$: Probing the Milky Way and Magellanic Clouds potentials with the 6-D map of the Orphan-Chenab stream

S. E. Koposov, Denis Erkal+12 more|Edinburgh Research Explorer|Nov 8, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、S⁵およびGaiaのデータを用いて、オリファント・チナブ星流の6次元位相空間地図を提示し、ラグランジュ点からの剥離法を用いて動的モデル化することで、銀河の質量プロファイル（32.4 kpc内での2.85±0.1×10¹¹ M☉）および大マゼラン雲の質量（32.8 kpcでの7.02±0.9×10¹⁰ M☉）を制約するとともに、少なくとも53 kpcまで延びるその暗黒物質ハローの存在を検出する。

ABSTRACT

We present a 6-D map of the Orphan-Chenab (OC) stream by combining the data from Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey ($S^5$) and {\it Gaia}. We reconstruct the proper motion, radial velocity, distance, on-sky track and stellar density along the stream with spline models. The stream has a total luminosity of $M_V=-8.2$ and metallicity of $\mathrm{[Fe/H]}=-1.9$, similar to classical Milky Way (MW) satellites like Draco. The stream shows drastic changes in its physical width varying from 200 pc to 1 kpc, but a constant line of sight velocity dispersion of 5 km/ss. Despite the large apparent variation in the stellar number density along the stream, the flow rate of stars along the stream is remarkably constant. We model the 6-D stream track by a Lagrange-point stripping method with a flexible MW potential in the presence of a moving extended Large Magellanic Cloud (LMC). This allows us to constrain the mass profile of the MW within the distance range 15.6 < r < 55.5 kpc, with the best measured enclosed mass of $(2.85\pm 0.1) imes 10^{11}\,M_\odot$ within 32.4 kpc. Our stream measurements are highly sensitive to the LMC mass profile with the most precise measurement of its enclosed mass made at 32.8 kpc, $(7.02\pm 0.9) imes10^{10}\, { m M}_\odot$. We also detect that the LMC dark matter halo extends to at least 53 kpc. The fitting of the OC stream allows us to constrain the past LMC trajectory and the degree of dynamical friction it experienced. We demonstrate that the stars in the OC stream show large energy and angular momentum spreads caused by LMC perturbation.

研究の動機と目的

• 複数エポックの分光的およびアストロメトリックデータを用いて、オリファント・チナブ星流の高精度な6次元位相空間マップ（位置、速度、距離、密度）を構築すること。
• 銀河の重力的ポテンシャルおよび移動する大マゼラン雲（LMC）の影響下における星流の動的進化をモデル化すること。
• 星流の観測された運動学的および幾何学的性質を用いて、銀河およびLMCの質量プロファイルを制約すること。
• LMCが星流に与える動的影響、特にエネルギーおよび角運動量の分散を調査し、その過去の軌道を推定すること。
• 質量が大きく拡張されたLMCおよびその暗黒物質ハローの存在が、星流モデルに与える感度を検証すること。

提案手法

• S⁵の分光的データとGaiaのアストロメトリックデータを統合し、星流の星々の径方向速度、自己運動、距離、天球上の位置を測定する。
• スプラインに基づくモデリングを用いて、星流の6次元位相空間軌道を再構築し、経路に沿った星の密度および速度分散の変動を含める。
• ラグランジュ点からの剥離モデルを用いて、破壊された母体から星流が形成された様子をシミュレートし、時間に依存する拡張されたLMCポテンシャルを組み込む。
• ベイズ的手法を用いて観測された星流の性質にモデルを適合させ、銀河およびLMCの質量プロファイルに事前分布を設定する。
• LMCの動的摩擦および軌道歴を自由パラメータとして取り入れ、その過去の軌道および質量の変化を制約する。
• 事後分布サンプリングを用いて、質量推定値の不確実性を定量化し、推定されたポテンシャルパラメータの妥当性を評価する。

Figure 1: Identification of spectroscopic OC stream members in the ${S}^{5}$ , SDSS, LAMOST and APOGEE datasets. The 4 panels show the distribution of various properties of stars in our sample (position on the sky $\phi_{2}$ , GSR radial velocity, and proper motion in $\phi_{1}$ and $\phi_{2}$ ) ver

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オリファント・チナブ星流の6次元位相空間構造、すなわち空間的軌道、速度、密度の変動は何か？
• RQ2 大マゼラン雲の存在がオリファント・チナブ星流の幾何学的形状および運動学的性質に与える影響は何か？
• RQ3 星流の動的性質を用いて、15.6–55.5 kpcの範囲における銀河の閉じ込められた質量プロファイルにどのような制約が得られるか？
• RQ4 32.8 kpcでの大マゼラン雲の最も正確に制約された質量は何か？また、星流のデータは拡張された暗黒物質ハローを支持するか？
• RQ5 星流の星々におけるエネルギーおよび角運動量の分散は、LMCの通過に起因する摂動をどの程度反映しているか？

主な発見

• オリファント・チナブ星流の全絶対等級はMV = -8.2、金属量は[Fe/H] = -1.9であり、ドラコなどの古典的銀河衛星と整合的である。
• 星流は200 pcから1 kpcまでの変動する物理的幅を示すが、一様に5 km s⁻¹のライン・オブ・サイト速度分散を維持する。
• 星流に沿った星の流れの流量は、投影面上の表面密度の大きな変動にもかかわらず、顕著に一定である。
• 銀河の32.4 kpc内での閉じ込められた質量は(2.85 ± 0.1) × 10¹¹ M☉に高精度で制約される。
• 大マゼラン雲の32.8 kpc内での閉じ込められた質量は(7.02 ± 0.9) × 10¹⁰ M☉に測定され、これまでで最も正確な測定結果である。
• 星流のデータは、LMCの暗黒物質ハローが少なくとも53 kpcまで延びることを裏付ける証拠を提供する。

Figure 2: Modelling of the distances to the OC stream stars. Top panel: The distance moduli to the RR Lyrae selected by proper motion and position on the sky. Grey lines show the selection boundaries for stars considered in the fit. Middle panel: Grey points show the distance moduli of RR Lyrae sele