[논문 리뷰] Making Counter-Orbiting Tidal Debris: The Origin of the Milky Way Disc of Satellites

Marcel S. Pawlowski, Pavel Kroupa외 1명|2011. 06. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 68인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 은하수의 위성 별개구조, 특히 반대 궤도를 도는 숨어 있는 왜성(Scorpius)을 포함한 위성의 디스크가 초기 단일 비행비나 융합 과정에서 발생한 tidal 잔해에서 유래했다고 제안한다. 이는 대체로 대규모 맥갈란닉 클라우드(Large Magellanic Cloud, LMC)의 조상 은하와의 상호작용에서 비롯되었을 가능성이 크며, 이 과정에서 천체역학적 상호작용으로 인해 자연스럽게 정방향 및 역방향 tidal 잔해가 동시에 생성된다. 이 모델은 위성의 관측된 이방성 분포와 궤도 극을 설명하며, 먼저 형성된 역방향 물질이 관측된 운동학적 특성과 금속성 농도의 차이를 잘 맞춘다.

ABSTRACT

Using stellar-dynamical calculations it is shown for the first time that counter-orbiting material emerges naturally in tidal interactions of disc galaxies. Model particles on both pro- and retrograde orbits can be formed as tidal debris in single encounters with disc galaxies of 1-to-1 and 4-to-1 mass ratios. A total of 74 model calculations are performed for a range of different initial parameters. Interactions include fly-by and merger cases. The fraction of counter-orbiting material produced varies over a wide range (from a few up to 50 percent). All fly-by models show a similar two-phase behaviour, with retrograde material forming first. Properties of the prograde and retrograde populations are extracted to make an observational discrimination possible. During such encounters the tidal debris occupies a certain region in phase space. In this material, tidal-dwarf galaxies may form. The modelling therefore can explain why galaxies may have dwarf galaxies orbiting counter to the bulk of their dwarf galaxies. An example is the Sculptor dwarf of the Milky Way, which orbits counter to the bulk of the disc of satellites. The modelling thus supports the scenario of the MW satellites being ancient tidal-dwarf galaxies formed from gaseous material stripped from another galaxy during an encounter with the young MW. A possible candidate for this galaxy is identified as the Magellanic Cloud progenitor galaxy. Its angular motion fits the angular motion of the MW disc of satellites objects. This scenario is in agreement with Lynden-Bell's original suggestion for the origin of the dSph satellites and the near-unbound orbit of the LMC.

연구 동기 및 목표

• 은하수의 이방성 위성 디스크, 특히 반대 궤도를 도는 숨어 있는 왜성의 기원을 설명하는 것.
• 기본적인 냉각 암흑물질 우주론의 예측과 관측된 위성 운동학 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• tidal 상호작용이 관측된 궤도 특성을 가진 정방향 및 역방향 잔해 집단을 자연스럽게 생성할 수 있는지 테스트하는 것.
• 위성 시스템을 형성한 초기 상호작용의 조건, 즉 상대 속도와 충격 매개변수를 제약하는 것.
• 계층적 적합 이론을 도전하는 티드-왜성 은하가 고전적인 dSph 위성의 기원일 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 질량 비율(1:1 및 4:1)과 초기 조건을 다양하게 설정한 74개의 N-body 별운동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 비행비 및 융합 시나리오를 모두 시뮬레이션하여 반대 궤도를 도는 tidal 잔해의 형성 여부를 평가한다.
• 모델 입자의 궤도 진화를 추적하여 운동량 방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 분류한다.
• 초기 상대 속도와 페리카이스트 거리에 따른 역방향 입자 비율을 측정한다.
• 잔해의 위상공간 분포를 분석하여 티드-왜성 은하가 형성될 수 있는 영역을 식별한다.
• 정방향 및 역방향 잔해의 시뮬레이션된 금속성 경향을 위성에서 관측된 [Fe/H] 차이와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디스크 은하 간의 tidal 상호작용이 관측된 궤도 특성을 가진 정방향 및 역방향 잔해 집단을 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 은하수 위성 시스템과 유사한 비율의 역방향 물질을 생성하기 위해 필요한 初기 조건(예: 상대 속도, 충격 매개변수)은 무엇인가?
• RQ3 모의된 잔해의 궤도 극과 근점 거리가 실제로 관측된 은하수 위성 은하의 분포와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 숨어 있는 왜성의 반대 궤도 성질은 LMC 조상 은하와의 단일 tidal 상호작용으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 정방향 및 역방향 잔해 간의 관측된 금속성 차이가 위성 시스템의 기원과 진화에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• 디스크 은하 간의 비행비 및 융합 상호작용에서 둘 다 자연스럽게 반대 궤도를 도는 tidal 잔해가 형성되며, 비행비의 경우 먼저 역방향 물질이 형성된다.
• 초기 상대 속도와 충격 매개변수에 따라 역방향 입자 비율은 몇 퍼센트에서 50%까지 변동하며, 높은 속도일수록 역방향 생성 비율이 증가한다.
• 정방향 입자는 약간 더 중심에 가까운 영역에서 유래하므로, 정방향과 역방향 잔해 간의 [Fe/H]에서 약 0.1 dex의 금속성 차이가 예측된다.
• 정방향 입자의 근점 거리는 일반적으로 역방향 입자보다 크며, 일부 정방향 입자는 60 kpc를 초월하는 거리까지 도달한다.
• LMC 조상 은하와의 비행비는 관측된 낮은 비율의 역방향 물질과 숨어 있는 왜성의 궤도 매개변수(낮은 근점 거리 및 금속성)와 일치한다.
• 초기 상대 속도가 낮은 융합 시나리오는 충분히 높은 근점 거리를 가진 잔해를 생성하지 못하므로, 현재 위성 시스템의 기원으로서 이러한 사건은 배제된다.