[論文レビュー] The survey of Planetary Nebulae in Andromeda (M31) II. Age-velocity dispersion relation in the disc from Planetary Nebulae

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 47被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、M31における惑星状星雲（PNe）を用いて、銀河ディスクにおける年齢-速度分散関係（AVR）を測定し、R_GC = 17–20 kpcにおいて、4.5 Gyrの古いPNe（101 ± 13 km s⁻¹）が2.5 Gyrの若いPNe（61 ± 14 km s⁻¹）よりも顕著に高い速度分散を示すことを発見した。このAVRは、約2.5–4.5 Gyr前に発生した質量比 ≈1:5の単一の大規模合体による動的加熱を示しており、M31の最近の星形成バーストとハロー内の構造的特徴と整合的である。

ABSTRACT

The age-velocity dispersion relation is an important tool to understand the evolution of the disc of the Andromeda galaxy (M31) in comparison with the Milky Way. We use Planetary Nebulae (PNe) to obtain the age-velocity dispersion relation in different radial bins of the M31 disc. We separate the observed PNe sample based on their extinction values into two distinct age populations. The observed velocities of our high- and low-extinction PNe, which correspond to higher and lower mass progenitors respectively, are fitted in de-projected elliptical bins to obtain their rotational velocities, $V_ϕ$, and corresponding dispersions, $ mσ_ϕ$. We assign ages to the two PNe populations by comparing central-star properties of an archival sub-sample of PNe, having models fitted to their observed spectral features, to stellar evolution tracks. For the high- and low-extinction PNe, we find ages of $\sim2.5$ Gyr and $\sim4.5$ Gyr respectively, with distinct kinematics beyond a deprojected radius R$ m_{GC}= 14$ kpc. At R$ m_{GC}$=17--20 kpc, which is the equivalent distance in disc scale lengths of the Sun in the Milky Way disc, we obtain $ mσ_{ϕ,~2.5~Gyr}= 61\pm 14$ km s$^{-1}$ and $ mσ_{ϕ,~4.5~Gyr}= 101\pm 13$ km s$^{-1}$. The age-velocity dispersion relation for the M31 disc is obtained in two radial bins, R$ m_{GC}$=14--17 and 17--20 kpc. The high- and low-extinction PNe are associated with the young thin and old thicker disc of M31 respectively, whose velocity dispersion values increase with age. These values are almost twice and thrice that of the Milky Way disc stellar population of corresponding ages. From comparison with simulations of merging galaxies, we find that the age-velocity dispersion relation in the M31 disc measured using PNe is indicative of a single major merger that occurred 2.5 -- 4.5 Gyr ago with an estimated merger mass ratio $\approx$ 1:5.

研究の動機と目的

• 惑星状星雲（PNe）を用いて年齢-速度分散関係（AVR）を測定することで、M31ディスクの動的進化を理解すること。
• 吸光度に基づく運動学的分離により、M31における若い薄ディスクと古い厚ディスクの群れを区別すること。
• 観測されたAVRと銀河合体の流体力学的シミュレーションを比較することで、M31の合体歴史を推定すること。
• 観測されたPNeの運動学が、M31における過去の大規模合体の時期と質量比を制約できるかどうかを検証すること。

提案手法

• PNeを高吸光度群と低吸光度群に分類し、高吸光度PNeは高質量母星に起因し、年齢は約2.5 Gyrと若いのに対し、低吸光度PNeは低質量母星に起因し、年齢は約4.5 Gyrと古いとされた。
• 射影された楕円形ビンごとに径方向速度および回転速度（$V_{\phi}$）を測定し、各年齢グループの方位速度分散（$\sigma_{\phi}$）を導出。
• PNeの部分群の中心星の性質を星の進化軌道と比較し、ネビュラの発光ラインのスペクトルモデリングを用いて年齢を割り当てた。
• AVRは2つの半径ビン（R_GC = 14–17 kpcおよび17–20 kpc）で構築され、後者は銀河のへそ周辺の太陽系半径に一致する。
• 観測された高さスケールと速度分散の変化を、合体銀河の流体力学的シミュレーションと比較することで、合体の質量比を推定。
• 理論的モデルを用いて、合体前のディスクのスケール高さと、観測された加熱を再現するための衛星質量を推定し、2.5–4.5 Gyr前の合体を仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M31ディスクにおける年齢-速度分散関係（AVR）は、銀河のへそと同様に、年齢とともに速度分散が単調に増加するものか？
• RQ2 吸光度と運動学に基づいて、惑星状星雲（PNe）を用いてM31における若い薄ディスクと古い厚ディスクの群れを信頼性高く分離できるか？
• RQ3 観測されたAVRと、銀河のへそとは異なるAVRの乖離に基づいて、M31の想定される合体歴史は何か？
• RQ4 観測された速度分散の増加は、単一の大規模合体と整合的か？もしそうなら、推定される質量比と合体時期は何か？
• RQ5 PNeの運動学は、M31で観測された2 Gyr前の星形成バーストと内部ハロー内の構造的特徴を説明できるか？

主な発見

• R_GC = 17–20 kpcにおいて、2.5 GyrのPNeの速度分散は61 ± 14 km s⁻¹、4.5 GyrのPNeは101 ± 13 km s⁻¹であり、分散が年齢依存的に増加していることが明確に示された。
• 高吸光度PNeはR_GC = 14 kpcを超えて、より冷たい動的状態の若い薄ディスク成分をトレースしているのに対し、低吸光度PNeはより高温の古い厚ディスクをトレースしている。
• M31における観測されたAVRは、銀河のへそよりも顕著に高温であり、同年代の銀河のへそ星の速度分散のほぼ2倍から3倍に達する。
• 運動学的データは、2.5–4.5 Gyr前に発生した単一の大規模合体と整合的であり、衛星質量比は約1:5と推定され、観測された加熱を再現するには約1.4 × 10¹⁰ M☉の衛星が必要とされた。
• 合体シナリオは、2 Gyr前の星形成バーストとM31の内部ハロー内の構造的特徴を、流体力学的シミュレーションの予測通りに説明できる。
• 推定された合体前のディスクのスケール高さは約0.3 kpcであり、合体後には約0.86 kpcに増加しており、観測されたディスクの厚化と整合的である。