[論文レビュー] Three Dimensional Distribution of Atomic Hydrogen in the Milky Way

Maryam Tavakoli|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高解像度21 cm LABサーベイデータを用い、円運動を仮定し、垂直方向の密度分布をガウス型とすることで、銀河系における原子水素分布の新しい3次元モデルを提示する。13 kpcを超える領域で銀河平面のねじれが確認され、20 kpcで最大0.75 kpcのディスクスケールヘイトが発生し、スパイラル構造が明確に観測される。20 kpc以内の原子水素総質量は4.3×10⁹ M☉である。

ABSTRACT

A new model for three dimensional distribution of atomic hydrogen gas in the Milky Way is derived using the 21cm LAB survey data. The global features of the gas distribution such as spiral arms are reproduced. The Galactic plane warps outside the solar orbit and the thickness of the gas disk flares outward the Galaxy. It is found that the mass of atomic hydrogen gas within a radius of 20 kpc is 4.3*10^9 M_Sun.

研究の動機と目的

• 最新の21 cm全天サーベイデータを用いて、銀河系における原子水素分布の新しい3次元モデルを開発すること。
• LABサーベイの高い空間分解能、感度、広いドップラー速度カバー範囲を統合することで、従来のモデルを改善すること。
• 観測された輝度温度データを用いて、スパイラルアーム、ディスクのねじれ、フラーリングといった大規模構造を正確に再現すること。
• 宇宙線伝播および拡散ガンマ線放射の研究に利用可能な、物理的根拠を持つ公開可能なモデルを提供すること。

提案手法

• Leiden-Argentine-Bonn (LAB) 21 cm全天サーベイを用い、IARおよびLDSサーベイを統合し、不要放射の補正を施す。
• 放射線輸送方程式と21 cm線放射形式を用いて、観測された輝度温度(T_b)を密度に変換する。
• 各線を通した列密度を導出するため、関係式N_H = ∫ C T_s ln(1 - T_b/T_s) dv_r を適用し、C = -1.823×10¹⁸ cm⁻² K⁻¹ (km/s)⁻¹ を使用する。
• ガス運動に純粋な円運動を仮定し、ガラクティック中心からの回転速度と銀河の幾何学的構造から径方向速度を導出する。
• 垂直方向密度分布をガウス関数としてモデル化し、投影された列密度から3次元体積密度を推定する。
• 導出された3次元密度場を用いて、ねじれ、フラーリング、スパイラルアームなどのディスク構造を再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高空間・高運動量分解能を有する21 cm放射データから、銀河系における原子水素の3次元分布をどのように再構築できるか？
• RQ2 スパイラルアーム、ディスクのねじれ、フラーリングといった大規模構造的特徴は何か。それらはガラクティック中心からの半径にどのように依存するか？
• RQ3 スパイラルアームは3次元分布においてどこに位置し、表面密度の増加とどのように相関するか？
• RQ4 20 kpc以内の原子水素の総質量はどの程度か。非円運動を示すガスはそのうちどれくらいの寄与を示すか？
• RQ5 この3次元モデルは、銀河内における宇宙線相互作用および拡散ガンマ線放射の予測をどのように改善できるか？

主な発見

• 13 kpcを超える領域で銀河平面に顕著なねじれが観測され、R = 20 kpcで北側ではz ≈ 2.5 kpc、南側ではz ≈ -1.5 kpcまで中間平面が上下にずれる。
• 原子水素ディスクのスケールヘイトは、銀河中心付近で約0.2 kpcから始まり、R = 20 kpcで最大0.75 kpcまで増加し、強いフラーリングを示す。
• 中間平面の水素密度は銀河中心でピークを示し、外側に伴い減少する。内側領域では変動が見られ、外側ディスクでは単調に減少する。
• 表面密度マップにおいてスパイラルアームが明確に可視化され、北側にはアウター・アーム、南側および接続領域にはサジタリウス・カリーナ・アームおよびペルセウス・アームが確認される。
• 20 kpc以内の原子水素の総質量は4.3×10⁹ M☉であり、そのうち非円運動ガスによる寄与は僅か0.033%にとどまる。
• 本モデルは http://people.sissa.it/~tavakoli で公開されており、宇宙線およびガンマ線研究に利用可能である。