[論文レビュー] The Milky Way Spiral Arm Pattern

P. Englmaier, M. Pohl+1 more|ArXiv.org|Dec 18, 2008

Historical Astronomy and Related Studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ばね状のポテンシャルと非円運動のガス流れを組み込んだ動的モデルを用いて、銀河系における分子ガスの3次元再構成を実施し、銀河の中心部に2本の腕を持つらせん構造が存在し、約7 kpc以降に4本の腕に分岐することが明らかになった。また、近傍と遠方の3-kpc腕が対称的である強力な証拠が得られた。この手法により、銀河中心部と遠方のディスク領域が解像され、長年の懸案であったらせん腕構造の曇りを解消し、外縁部に4本腕のパターンが存在することを確認した。

ABSTRACT

A complete map of the 3D distribution of molecular (CO) gas was constructed using a realistic dynamical model of the gas flow in the barred potential of the Milky Way. The map shows two prominent spiral arms starting at the bar ends connecting smoothly to the 4-armed spiral pattern observed in the atomic hydrogen gas in the outer Galaxy. Unlike previous attempts, our new map uncovers the gas distribution in the bar region of the Galaxy and the far side of the disk. For the first time, we can follow spiral arms in gas as they pass behind the galactic centre.

研究の動機と目的

• 距離の曇りや円運動の仮定による欠損が生じていた、特に銀河中心部および遠方ディスク領域における分子ガスの3次元分布を解明すること。
• ばね状ポテンシャルと非円運動のガス流れを考慮した場合に、2本腕モデルと4本腕モデルのどちらが銀河系の構造をよりよく記述するかを検証すること。
• COサーベイで以前に無視されていた、見つかりにくい遠方3-kpc腕を同定・マッピングし、近傍3-kpc腕と対称的であるかを評価すること。
• 円運動則を仮定する代替的動的モデルではなく、現実的な動的モデルを用いることで、ガスの運動学的性質とらせん腕の形状との不整合を解消すること。
• ばねの領域から外縁ディスクに至るまで、一貫した上面図としてのらせん構造を提示すること。

提案手法

• 本研究では、観測されたCO放射（Dame et al. 2001）を、視線方向の混同と距離のデゲネラシーを考慮して3次元空間に逆問題的にマッピングする確率的逆問題手法を用いた。
• 基礎となる運動学的モデルは、COBE/DIRBEの近赤外データから導かれた現実的なばね状ポテンシャルに基づき、銀河中心部では非円運動を含み、7 kpc以降は滑らかに円運動に移行する。
• 距離の曇りは、物理的に妥当な位置に重みを割り当てることで解消され、『Finger-of-God』効果のようなアーチファクトを回避した。
• 不正な構造を同定・抑制するために、不正な逆問題のアーチファクトを最小化する正則化技術を適用し、モック密度モデルを用いて妥当性を検証した。
• この手法により、銀河中心部や遠方を通過するガスを追跡可能となり、中心部の後方を通過するらせん腕の再構成が可能になった。
• 本モデルは、Levine et al. (2006) のHI層の厚さマップと、Sawada et al. (2006) の非運動学的ガスマッピングの独立したマップと照合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系のらせん構造は2本腕か4本腕か。また、内縁部から外縁部への過渡的変化はどのように進行するか。
• RQ2 非円運動を考慮した動的モデルを用いることで、見つかりにくい遠方3-kpc腕を検出・確認できるか。
• RQ3 近傍と遠方の3-kpc腕の対称性は、ばねの位置角とパターン速度をどのように制約するか。
• RQ4 円運動を仮定する運動学的モデルは、銀河中心部における真の3次元ガス分布を再構成する際にどの程度失敗するか。
• RQ5 ばねの端から銀河中心部を通り、外縁ディスクに至るまで、らせん腕のパターンを一貫して追跡できるか。

主な発見

• 銀河中心部では、ばねの端から出発する2本腕のらせん構造が確認され、半径約7 kpcで4本腕に分岐しており、m=2とm=3の密度波の重ね合わせと整合的である。
• 遠方3-kpc腕は、近傍3-kpc腕と対称的であることが確認され、遠方腕はl ≈ -7°から-8°まで延びており、ばねの位置角が20°から40°であることを支持する。
• 3-kpc腕は銀河中心から約3 kpcの位置にあり、遠方腕の垂直厚さは近傍腕の約半分であり、距離が近く、一貫した構造であることを示している。
• 再構成されたガス分布には、中心1 kpcに200 pcのオフセットリングが存在し、中心の前後に密度ピークが見られ、核のばねと前方ガス流れと整合的である。
• 外縁部（r > 7 kpc）のらせん腕は、Levine et al. (2006) のHI層の厚さマップとよく一致しており、外縁部まで4本腕のパターンが存在することを確認した。
• 本モデルは、『Finger-of-God』効果のような一般的な逆問題のアーチファクトや、銀河中心部の後方における人工的構造を効果的に抑制し、従来の円運動に基づく再構成手法を改善した。