[論文レビュー] The Large Magellanic Cloud stellar content with SMASH: I. Assessing the stability of the Magellanic spiral arms

T. Ruiz-Lara, Carme Gallart+24 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Jun 18, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、SMASH調査の深紫外光度測定と色mag図（CMD）フィッティングを用いて、大マゼラン雲（LMC）の渦巻き腕が20億年以上にわたり安定していることを示した。外縁部における星々の集団を分析した結果、渦巻き腕に一貫した若年星々の集団が存在し、微分回転や潮汐力の影響にもかかわらず、その構造が存続していることが示された。その起源は約20億～30億年前にLMCとSMCの相互作用に起因すると特定された。

ABSTRACT

The Large Magellanic Cloud (LMC) is the closest and most studied example of an irregular galaxy. Among its principal defining morphological features, its off-centred bar and single spiral arm stand out, defining a whole family of galaxies known as the Magellanic spirals (Sm). These structures are thought to be triggered by tidal interactions and possibly maintained via gas accretion. However, it is still unknown whether they are long-lived stable structures. In this work, by combining photometry that reaches down to the oldest main sequence turn-off in the colour-magnitude diagrams (CMD, up to a distance of $\sim$4.4 kpc from the LMC centre) from the SMASH survey and CMD fitting techniques, we find compelling evidence supporting the long-term stability of the LMC spiral arm, dating the origin of this structure to more than 2~Gyr ago. The evidence suggests that the close encounter between the LMC and the Small Magellanic Cloud (SMC) that produced the gaseous Magellanic Stream and its Leading Arm (LA) also triggered the formation of the LMC's spiral arm. Given the mass difference between the Clouds and the notable consequences of this interaction, we can speculate that this should have been one of their closest encounters. These results set important constraints on the timing of LMC-SMC collisions, as well as on the physics behind star formation induced by tidal encounters.

研究の動機と目的

• マゼラン渦巻き銀河の特徴的構造である大マゼラン雲（LMC）の単一渦巻き腕の長期的安定性を特定すること。
• 深紫外光度測定を用いて星々の集団の年齢を特定することで、渦巻き腕が一時的か、長期間にわたる構造的特徴かを調査すること。
• LMCと小マゼラン雲（SMC）の潮汐的相互作用が、渦巻き腕の形成および維持に果たす役割を評価すること。
• 渦巻き腕の星形成歴（SFH）を用いて、過去のLMC-SMCの接近のタイミングを制約すること。
• 特に、その非対称的形態の起源に関連する、動力学的モデルに対する観測的制約を提供すること。

提案手法

• 外縁部にわたるLMCをカバーする、マゼラン星々の歴史調査（SMASH）の深紫外光度測定データを取得し、最も古い主系列の分岐点まで到達した。
• LMCの複数の領域、特に渦巻き腕とその周辺領域の色mag図（CMD）を構築した。
• CMDフィッティング技術を適用して、各領域における星形成歴（SFH）を導出し、星々の集団の年齢と金属量の制約を得た。
• 渦巻き腕のSFHを周辺領域のSFHと比較し、星形成の空間的・時間的整合性を特定した。
• 観測されたSFHをLMCとSMCの軌道的歴史と照合し、特に過去の接近のタイミングに注目した。
• 渦巻き腕に若年星々の集団が存続していることから、宇宙時間にわたる構造的安定性を推論した。

Figure 1: Stellar spatial distribution and observed colour-magnitude diagrams corresponding to two visually selected regions representative of the northwest (blue) and southeast (red) regions of the LMC. (Left) LMC-reconstructed stellar density image from SMASH data showing the number density of sta

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LMCの渦巻き腕は、長期間にわたる構造的特徴であるのか、一時的な現象であるのか？
• RQ2 LMCの渦巻き腕に存在する星々の集団の年齢は何か？ これは、長期的起源を示唆しているのか？
• RQ3 渦巻き腕の形成は、LMCとSMCの間の潮汐的相互作用と関連づけることができるか？
• RQ4 渦巻き腕の星形成歴は、LMCのディスク全体のそれとどのように異なるか？
• RQ5 観測された星々の集団は、過去のLMC-SMCの接近のタイミングと性質にどのような制約を課えるか？

主な発見

• LMCの渦巻き腕には、20億年未満の若年星々の集団が空間的に一貫して存在しており、この構造が少なくともそれだけの期間にわたり存続していたことを示している。
• 渦巻き腕の星形成歴には、過去約20億年にわたる明確な増加が見られ、外縁部に顕著な破壊や再活性化の兆候は認められなかった。
• 渦巻き腕に観測された星々の集団は、20億年以上前にさかのぼる形成起源と整合的であり、長期的な構造的安定性を支持する。
• 渦巻き腕の形成時期は、約20億～30億年前に予想されるLMC-SMCの接近と一致しており、潮汐的相互作用がその発生要因である可能性が示唆された。
• LMCにおけるH Iガス分布の非対称性は、おそらく同じ長期間にわたる渦巻き構造によって維持されており、ガスは棒構造からずれており、星々の腕と一致している。
• 結果から、LMCとSMCの間の潮汐的相互作用が、LMCの非対称的形態、特に渦巻き腕、マゼラン・ストリームおよびリーディング・アームの起源を主因としている可能性が示唆された。

Figure 2: Average star formation histories characteristic of the northwest (blue, arm) and southeast (red) regions of the LMC disc. A magnified inset highlights the youngest burst. Shaded regions represent uncertainties in the SFH recovery computed as described in Hidalgo et al. ( 2011b ) .