[論文レビュー] Wrinkles in the Gaia data unveil a dynamically young and perturbed Milky Way disk

T. Antoja, A. Helmi+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 50被引用数 18

ひとこと要約

Gaia DR2のデータを用いて、本研究では、銀河の円盤星において、アーチ、シェル、ナメクジの巻きすじ、リッジなどの広範な位相空間の部分構造が明らかになった。これは、円盤が力学的に若く、現在非平衡状態にあることを示している。研究結果は、300〜900 Myr前に発生した最近の摂動（おそらくサジタリウス矮星銀河によるもの）を示唆しており、長年にわたり受け入れられてきた銀河円盤の力学的平衡状態および軸対称性の仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Most of the stars in our Galaxy including our Sun, move in a disk-like component and give the Milky Way its characteristic appearance on the night sky. As in all fields in science, motions can be used to reveal the underlying forces, and in the case of disk stars they provide important diagnostics on the structure and history of the Galaxy. But because of the challenges involved in measuring stellar motions, samples have so far remained limited in their number of stars, precision and spatial extent. This has changed dramatically with the second Data Release of the Gaia mission which has just become available. Here we report that the phase space distribution of stars in the disk of the Milky Way is full of substructure with a variety of morphologies, most of which have never been observed before. This includes shapes such as arches and shells in velocity space, and snail shells and ridges when spatial and velocity coordinates are combined. The nature of these substructures implies that the disk is phase mixing from an out of equilibrium state, and that the Galactic bar and/or spiral structure are strongly affecting the orbits of disk stars. Our analysis of the features leads us to infer that the disk was perturbed between 300 and 900 Myr ago, which matches current estimations of the previous pericentric passage of the Sagittarius dwarf galaxy. The Gaia data challenge the most basic premise of stellar dynamics of dynamical equilibrium, and show that modelling the Galactic disk as a time-independent axisymmetric component is definitively incorrect. These findings mark the start of a new era when, by modelling the richness of phase space substructures, we can determine the gravitational potential of the Galaxy, its time evolution and the characteristics of the perturbers that have most influenced our home in the Universe.

研究の動機と目的

• 高精度なGaiaデータを用いて、円盤星の位相空間分布を調査し、隠れた力学的部分構造を解明すること。
• 銀河円盤が力学的平衡状態にあるのか、それとも最近の摂動を経験したのかを特定すること。
• 銀河のバー構造および渦巻き構造が星の軌道に与える影響を評価すること。
• 観測された部分構造を、特にサジタリウス矮星銀河との過去の重力的相互作用に関連付けること。
• 銀河力学における時間に依存しない軸対称ポテンシャルモデルの仮定を覆すこと。

提案手法

• Gaia Data Release 2の星の全位相空間分布（空間座標および速度座標）の分析。
• 速度空間における一様でない形状的特徴（アーチ、シェル、リッジ、ナメクジの巻きすじに類似したパターン）の同定。
• 位相空間の部分構造を、進行中の力学的プロセスおよび非平衡状態の診断手段としての利用。
• 銀河バーおよび渦巻き腕による徐々に働く摂動の理論的期待と、観測された部分構造の形状を比較。
• サジタリウス矮星銀河の近点通過などの既知の出来事と部分構造の特徴を照合することで、摂動の時期を推定。
• 銀河円盤のモデル化において、力学的平衡状態および軸対称性の仮定を拒否すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gaia DR2のデータに基づいて、銀河円盤にどのような位相空間の部分構造が存在するか？
• RQ2 これらの部分構造の形状から、銀河円盤の現在の力学的状態はどのようなものか？
• RQ3 銀河円盤の最後の主要な摂動はいつで、何が原因であったと考えられるか？
• RQ4 銀河のバー構造および渦巻き構造は、円盤星の軌道進化にどのように影響を与えるか？
• RQ5 部分構造の存在が、銀河力学における時間に依存しない軸対称ポテンシャルの標準的仮定をどの程度無効にするか？

主な発見

• 銀河円盤には、アーチ、シェル、ナメクジの巻きすじ、リッジなど、これまでにない多様な位相空間の部分構造が存在する。
• これらの部分構造は、円盤が力学的平衡状態にないこと、現在非平衡状態からの位相混合が進行していることを示している。
• 部分構造の形状は、銀河バーおよび／または渦巻き構造による強い摂動を示唆している。
• 円盤はおそらく300〜900百万年前に摂動を受け、これはサジタリウス矮星銀河の以前の近点通過の時期と整合的である。
• 研究結果は、銀河力学の基礎的仮定である「銀河円盤が時間に依存しない軸対称平衡状態にある」という仮定を直接的に挑戦している。
• 観測された部分構造は、銀河の重力ポテンシャルおよびその時間発展する摂動要因を再構築するための新しい道筋を提供する。