[논문 리뷰] Gaia DR2 Proper Motions of Dwarf Galaxies within 420 kpc: Orbits, Milky Way Mass, Tidal Influences, Planar Alignments, and Group Infall

T. K. Fritz, G. Battaglia외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 130인용 수 95

한 줄 요약

이 연구는 Gaia DR2와 분광학적 멤버십을 사용하여 39개의 밀키웨이 왜소은하의 시스템적 고유 운동을 도출하고, 두 가지 밀키웨이 팔 질량 모델에서 이들의 3D 속도와 궤도를 계산하며, 밀키웨이 질량, 조력 효과, 평면 정렬, 그리고 위성들의 군집 침입 시사점에 대해 논의한다.

ABSTRACT

A proper understanding of the Milky Way (MW) dwarf galaxies in a cosmological context requires knowledge of their 3D velocities and orbits. However, proper motion (PM) measurements have generally been of limited accuracy and available only for more massive dwarfs. We therefore present a new study of the kinematics of the MW dwarf galaxies. We use the Gaia DR2 for those dwarfs that have been spectroscopically observed in the literature. We derive systemic PMs for 39 galaxies and galaxy candidates out to 420 kpc, and generally find good consistency for the subset with measurements available from other studies. We derive the implied Galactocentric velocities, and calculate orbits in canonical MW halo potentials of "low" ($0.8 imes 10^{12} M_\odot$) and "high" mass ($1.6 imes 10^{12} M_\odot$). Comparison of the distributions of orbital apocenters and 3D velocities to the halo virial radius and escape velocity, respectively, suggests that the satellite kinematics are best explained in the high-mass halo. Tuc III, Crater II, and additional candidates have orbital pericenters small enough to imply significant tidal influences. Relevant to the missing satellite problem, the fact that fewer galaxies are observed to be near apocenter than near pericenter implies that there must be a population of distant dwarf galaxies yet to be discovered. Of the 39 dwarfs: 12 have orbital poles that do not align with the MW plane of satellites (given reasonable assumptions about its intrinsic thickness); 10 have insufficient PM accuracy to establish whether they align; and 17 satellites align, of which 11 are co-orbiting and (somewhat surprisingly, in view of prior knowledge) 6 are counter-orbiting. Group infall might have contributed to this, but no definitive association is found for the members of the Crater-Leo group.

연구 동기 및 목표

• Gaia DR2와 분광학을 이용해 대규모 밀키웨이 왜소은하 샘플의 시스템적 고유 운동을 정량화한다.
• 다양한 밀키웨이 팔 질량 가정하에서갈락토센트릭 속도와 궤도 특성을 도출한다.
• 위성들에 대한 조력 영향, 평면 정렬의 발생 여부, 그리고 잠재적 군집 침입 시나리오를 평가한다.

제안 방법

• 분광 데이터를 이용해 40%의 멤버십 확률 임계값으로 가능 멤버를 선택한다.
• 분광 멤버를 Gaia DR2와 대조하고, 모델링된 탈출 속도에 대한 시차(parallax)와 proper motion의 일관성 점검을 모델 탈출 속도와 대조하여 수행한다.
• 오차 가중 평균 proper motions를 계산하고 총 불확실성에 체계적 오차 성분을 추가한다.
• proper motions를 태양계 기준 속도로 변환한 다음 갈락토센트릭 속도로 변환한다; 파생량의 불확실성을 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(전진 및 후진)을 수행한다.
• galpy를 사용하여 MWPotentials14에서 두 팔 질량(0.8와 1.6 x 10^12 Msun)을 갖는 은하 질량 모델로 궤도를 적분하고, 근지점(pericenter), 원지점(apocenter), 이심률 등 궤도 매개 변수를 얻는다.
• 독립 측정값과 결과를 비교하고 MW 질량, 조력 효과, 누락 위성 문제에 대한 시사점을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gaia DR2로 측정되고 분광학적 멤버십으로 검증된 420 kpc 이내의 MW 왜소은하들의 시스템적 고유 운동은 무엇인가?
• RQ2 다양한 MW 팔 질량 가정(저질량 vs 고질량) 하에서 이 위성들의 갈락토센트릭 속도와 궤도 특성은 무엇인가?
• RQ3 궤도 분포와 극점이 평면 위성 구조를 지지하는가, 아니면 더 등방적 분포를 시사하는가?
• RQ4 위성들 사이에 상당한 조력 영향이나 최근의 군집 침입 징후가 있는가?
• RQ5 결과가 누락 위성 문제와 아직 발견되지 않은 먼 위성의 존재에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• 420 kpc 이내의 39개의 드워프 은하 및 후보군에 대한 시스템적 고유 운동이 도출되었고, 클래식 드워프에 대해서는 다른 연구들과 일반적으로 우수한 일치를 보인다.
• 고질량 MW 팔 질량(1.6 x 10^12 Msun)에서 위성 속도 및 apocenter 분포가 Milky Way에 묶인 궤도 기대에 더 잘 부합하는 반면, 저질량 팔 질량에서는 그렇지 않다.
• Tuc III, Crater II, 및 다른 후보들은 근지점이 충분히 작아 상당한 조력 영향이 발생한다.
• 원지점 근처에서 관측되는 위성 수가 원지점 근처보다 적어 아직 발견되지 않은 먼 드워프들의 집단이 존재함을 시사하며, 누락 위성 문제와 관련 있다.
• 39개 드워프 중 12개는 궤도 극점이 MW 위성들의 평면과 일치하지 않고, 10개는 정렬을 평가할 PM 정확도가 충분하지 않으며, 17개는 일치하는데 그 중 11개는 같은 방향으로 공전하고 6개는 반대 방향으로 공전한다.
• 그룹 침입은 관측된 정렬에 기여할 수 있으나 Crater-Leo 구성원에 대한 확정적 연관성은 발견되지 않았다.