[論文レビュー] Structural parameters and possible association of the Ultra-Faint Dwarfs Pegasus III and Pisces II from deep Hubble Space Telescope photometry

Hannah Richstein, Ekta Patel+18 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 92被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、超微弱矮星銀河ペガススIIIおよびピサスIIの深宇宙望遠鏡HST赤外線写真測光を実施し、構造的パラメータおよび質量光度比を測定した。それらの投影距離は約40 kpcと近く、相互作用の形態的証拠は見つからなかったが、Gaia eDR3の自己運動を用いた軌道統合により、約10–20 kpcの過去の接近および約10億年前に大マゼラン雲付近を同時に通過した可能性が示唆された。これは、将来的な自己運動測定の改善が必要な、拘束された連星系である可能性を示している。

ABSTRACT

We present deep Hubble Space Telescope (HST) photometry of the ultra-faint dwarf (UFD) galaxies Pegasus III (Peg III) and Pisces II (Psc II), two of the most distant satellites in the halo of the Milky Way (MW). We measure the structure of both galaxies, derive mass-to-light ratios with newly determined absolute magnitudes, and compare our findings to expectations from UFD-mass simulations. For Peg III, we find an elliptical half-light radius of $a_h=1.88^{+0.42}_{-0.33}$ arcminutes ($118^{+31}_{-30}$ pc) and $M_V{=}{-4.17}^{+0.19}_{-0.22}$; for Psc II, we measure $a_h{=}1.31^{+0.10}_{-0.09}$ arcminutes ($69\pm8$ pc) and $M_V{=}{-4.28}^{+0.19}_{-0.16}$. We do not find any morphological features that indicate a significant interaction between the two has occurred, despite their close separation of only $\sim$40 kpc. Using proper motions (PMs) from Gaia early Data Release 3, we investigate the possibility of any past association by integrating orbits for the two UFDs in a MW-only and a combined MW and Large Magellanic Cloud (LMC) potential. We find that including the gravitational influence of the LMC is crucial, even for these outer-halo satellites, and that a possible orbital history exists where Peg III and Psc II experienced a close ($\sim$10-20 kpc) passage about each other just over $\sim$1 Gyr ago, followed by a collective passage around the LMC ($\sim$30-60 kpc) just under $\sim$1 Gyr ago. Considering the large uncertainties on the PMs and the restrictive priors imposed to derive them, improved PM measurements for Peg III and Psc II will be necessary to clarify their relationship. This would add to the rare findings of confirmed pairs of satellites within the Local Group.

研究の動機と目的

• 深宇宙望遠鏡HSTを用いた測光により、超微弱矮星銀河ペガススIIIおよびピサスIIの構造的パラメータ（半光半径、絶対等級）を測定すること。
• 新たに決定された絶対等級を用いて質量光度比を導出し、UFDシミュレーションとの整合性を評価すること。
• Gaia eDR3自己運動と、銀河系のみ（MW-only）および銀河系＋大マゼラン雲（MW+LMC）の重力場を用いた軌道統合により、Peg IIIおよびPsc IIの動的歴史を調査すること。
• それらの運動および空間的接近性に基づいて、2つのUFDが重力的に束縛されたペアであるかどうかを検証すること。
• Peg IIIおよびPsc IIが関連しているかどうかを明確に特定するための、将来の自己運動測定に必要な精度を評価すること。

提案手法

• ACSおよびWFC3を用いたHSTの深宇宙写真撮影により、Peg IIIおよびPsc IIの高精度測光を実施した。
• 等密度等高線マッピングおよび星の密度プロファイルフィッティングを用いて、半光半径および構造的パラメータを測定した。
• 太陽系距離と減光補正を用いて絶対等級（MV）を計算し、質量光度比を導出した。
• Gaia eDR3自己運動を用いて、両UFDの過去の軌道をMWのみおよびMW＋LMCの重力場モデルで逆方向に統合した。
• 関連しているか否かのシステムを区別するための、横方向速度測定に必要な精度を評価するためにモンテカルロシミュレーションを実施した。
• Liら（2021年）とMcConnachie＆Venn（2020年）の自己運動測定結果を比較し、入力不確実性への感受性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペガススIIIおよびピサスIIに、過去の相互作用を示す形態的特徴が見られるか？
• RQ2 Peg IIIおよびPsc IIの軌道的歴史は何か？ かつての接近（約10–20 kpc）が妥当に起こった可能性はあるか？
• RQ3 大マゼラン雲の重力的影響を含めることで、これらの外銀河領域UFDの軌道解法にどのような影響があるか？
• RQ4 Peg IIIおよびPsc IIが拘束されたペアであるかどうかを的確に特定するためには、どの程度の自己運動測定精度が必要か？
• RQ5 Peg IIIおよびPsc IIの観測された運動および空間的性質は、UFD質量シミュレーションの予測と整合性があるか？

主な発見

• ペガススIIIの半光半径は1.′88+0.42−0.33（118+31−30 pc）、絶対等級MV = −4.17+0.19−0.22である。
• ピサスIIの半光半径は1.′31+0.10−0.09（69 ± 8 pc）、絶対等級MV = −4.28+0.19−0.16である。
• 投影距離が約40 kpcであるにもかかわらず、Peg IIIおよびPsc IIの間で顕著な相互作用の形態的証拠は認められない。
• LMCの重力場を含めた軌道統合により、約10億年前に両UFD間で約10–20 kpcの過去の接近が起こり、その後にLMC付近（約30–60 kpc）を同時に通過した可能性が示唆された。
• 将来の自己運動測定で約50 km s−1の精度が達成された場合、偶然の関連の確率は低くなる（4.7％）、特に視線速度差が小さい場合に顕著である。
• 両UFD間の速度差が約50 km s−1未満であれば、95％の信頼度で重力的に束縛されたペアであると結論づけることができ、HSTまたは将来のGaiaリリースによる自己運動データの改善が求められる。