[논문 리뷰] Distance and extinction to the Milky Way spiral arms along the Galactic centre line of sight

F. Nogueras-Lara, R. Schödel외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 101인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 GALACTICNUCLEUS 조사에서 확보한 고해상도 JHKs 광도 측정 자료를 이용해 은하 중심 방향의 선상에서 네 개의 은하수 날개까지의 거리와 투과도 수준을 결정한다. χ² 최소화를 통한 합성 색도-등급 모델의 데이터 적합을 통해, 각각 1.6 ± 0.2, 2.6 ± 0.2, 3.9 ± 0.3, 4.5 ± 0.2 kpc의 거리와 H 대역에서 각각 0.35 ± 0.08, 0.77 ± 0.08, 1.68 ± 0.08, 2.30 ± 0.08 mag의 투과도를 가지며, 모든 특징에서 일관된 적외선 투과도 법칙이 존재함을 확인한다.

ABSTRACT

The position of the Sun inside the Milky Way's disc hampers the study of the spiral arm structure. We aim to analyse the spiral arms along the line-of-sight towards the Galactic centre (GC) to determine their distance, extinction, and stellar population. We use the GALACTICNUCLEUS survey, a JHKs high angular resolution photometric catalogue (0.2") for the innermost regions of the Galaxy. We fitted simple synthetic colour-magnitude models to our data via $\chi^2$ minimisation. We computed the distance and extinction to the detected spiral arms. We also analysed the extinction curve and the relative extinction between the detected features. Finally, we built extinction-corrected Ks luminosity functions (KLFs) to study the stellar populations present in the second and third spiral arm features. We determined the mean distances to the spiral arms: $d1=1.6\pm0.2$, $d2=2.6\pm0.2$, $d3=3.9\pm0.3$, and $d4=4.5\pm0.2$ kpc, and the mean extinctions: $A_{H1}=0.35\pm0.08$, $A_{H2}=0.77\pm0.08$, $A_{H3}=1.68\pm0.08$, and $A_{H4}=2.30\pm0.08$ mag. We analysed the extinction curve in the near infrared for the stars in the spiral arms and found mean values of $A_J/A_{H}=1.89\pm0.11$ and $A_H/A_{K_s}=1.86\pm0.11$, in agreement with the results obtained for the GC. This implies that the shape of the extinction curve does not depend on distance or absolute extinction. We also built extinction maps for each spiral arm and obtained that they are homogeneous and might correspond to independent extinction layers. Finally, analysing the KLFs from the second and the third spiral arms, we found that they have similar stellar populations. We obtained two main episodes of star formation: $>6$ Gyr ($\sim60-70\%$ of the stellar mass), and $1.5-4$ Gyr ($\sim20-30\%$ of the stellar mass), compatible with previous work. We also detected recent star formation at a lower level ($\sim10\%$) for the third spiral arm.

연구 동기 및 목표

• 태양이 은하 디스크 내부에 위치해 있어, 높은 먼지와 가스 투과도로 인해 은하수 날개의 구조를 세밀하게 연구하기 어려운 상황이다.
• 기존의 조사들은 내부 은하 평면의 세밀한 구조를 해석하기에 충분한 깊이와 각해상도를 확보하지 못하고 있다.
• 은하 중심 방향의 선상에서 은하수 날개까지의 정밀한 거리 및 투과도 측정이 필요하며, 이는 은하 디스크의 구조와 항성 집단을 이해하는 데 기여한다.
• 이 연구는 고각해상도 적외선 광도 측정을 이용해 내부 은하 디스크의 은하수 날개의 거리, 투과도 및 항성 집단을 특성화하는 것을 목표로 한다.
• 다양한 은하수 날개 특징 간에 투과도 법칙의 일관성을 검증하고, 항성 형성 역사를 평가한다.

제안 방법

• 내부 은하 볼지와 핵심 항성 디스크를 포함하는 GALACTICNUCLEUS 조사에서 확보한 고각해상도(0.2′′) JHKs 광도 측정 자료를 사용한다.
• 관측된 CMDs(H 대비 J−H)에 합성 색도-등급 모델을 χ² 최소화 기법으로 적합시켜 각 은하수 날개 특징의 거리와 투과도를 유도한다.
• Ks 대비 H−Ks CMD에서의 특징을 이용해 AKs 기반의 투과도 지도를 구성하고, 선상에서의 균일성과 공간적 변동성을 평가한다.
• 각 은하수 날개의 항성에 대해 AJ/AH 및 AH/AKs 투과도 비율을 계산하여, 거리 또는 투과도 수준에 관계없이 투과도 법칙의 일관성을 검증한다.
• Gaia DR2와의 교차 매칭을 통해 GALACTICNUCLEUS 소스를 활용해 두 번째로 가까운 은하수 날개의 거리를 추정함으로써 교차 검증을 수행한다.
• 두 번째 및 세 번째 은하수 날개의 Ks 대역 광도 함수(KLF)를 분석하고, 이론적 Parsec 모델의 선형 조합을 적합시켜 항성 형성 역사를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 중심 방향의 선상에서 은하수 날개까지의 거리와 투과도는 무엇인가?
• RQ2 다른 은하수 날개 간에 거리 또는 절대 투과도에 관계없이 적외선 투과도 법칙이 일관되는가?
• RQ3 각 은하수 날개의 투과도 지도는 균일한가? 이는 별개의 독립된 투과도 층을 나타내는가?
• RQ4 두 번째 및 세 번째 은하수 날개의 항성 형성 역사는 어떠한가? 그들의 항성 집단은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 유도된 거리 및 투과도는 Gaia DR2의 독립적 측정과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 네 개의 은하수 날개 평균 거리는 d1 = 1.6 ± 0.2 kpc, d2 = 2.6 ± 0.2 kpc, d3 = 3.9 ± 0.3 kpc, d4 = 4.5 ± 0.2 kpc이다.
• H 대역에서의 평균 투과도는 AH1 = 0.35 ± 0.08 mag, AH2 = 0.77 ± 0.08 mag, AH3 = 1.68 ± 0.08 mag, AH4 = 2.30 ± 0.08 mag이다.
• AJ/AH = 1.89 ± 0.11 및 AH/AKs = 1.86 ± 0.11의 투과도 비율은 모든 은하수 날개에서 일관되며, 적외선 영역에서 투과도 법칙이 일정함을 시사한다.
• 각 은하수 날개의 투과도 지도는 균일하며, 선상에서의 공간적 변동성이 없어 별개의 독립된 투과도 층을 나타내는 것으로 보인다.
• 두 번째 및 세 번째 은하수 날개는 유사한 항성 집단을 지니며, 두 개의 주요 항성 형성 시기(60–70%의 항성 질량)가 존재한다: 6 Gyr 이상 전과 1.5–4 Gyr 전이다.
• 세 번째 은하수 날개에서는 최근의 소규모 항성 형성 시기(약 10%의 항성 질량)가 1 Gyr 이하의 연령에서 감지되었다.