[논문 리뷰] Structural parameters and possible association of the Ultra-Faint Dwarfs Pegasus III and Pisces II from deep Hubble Space Telescope photometry

Hannah Richstein, Ekta Patel외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 92인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡를 이용한 초연약은하군 Pegasus III 및 Pisces II의 깊은 광도 측정을 통해 그들의 구조적 파ameters와 질량-광도 비율을 측정한다. 이들의 투영 상에서 근접한 거리(~40 kpc)에도 불구하고 상호작용의 형태학적 증거는 발견되지 않았지만, Gaia eDR3 적외선 운동량을 이용한 궤도 통합 분석은 약 10–20 kpc 이내의 과거 근접 통과와 약 10억 년 전 대마젤란운의 근처에서의 집단 통과 가능성을 시사한다. 이는 향후 보다 정밀한 적외선 운동량 측정이 필요로 하는 잠재적 유사한 유대관계를 시사한다.

ABSTRACT

We present deep Hubble Space Telescope (HST) photometry of the ultra-faint dwarf (UFD) galaxies Pegasus III (Peg III) and Pisces II (Psc II), two of the most distant satellites in the halo of the Milky Way (MW). We measure the structure of both galaxies, derive mass-to-light ratios with newly determined absolute magnitudes, and compare our findings to expectations from UFD-mass simulations. For Peg III, we find an elliptical half-light radius of $a_h=1.88^{+0.42}_{-0.33}$ arcminutes ($118^{+31}_{-30}$ pc) and $M_V{=}{-4.17}^{+0.19}_{-0.22}$; for Psc II, we measure $a_h{=}1.31^{+0.10}_{-0.09}$ arcminutes ($69\pm8$ pc) and $M_V{=}{-4.28}^{+0.19}_{-0.16}$. We do not find any morphological features that indicate a significant interaction between the two has occurred, despite their close separation of only $\sim$40 kpc. Using proper motions (PMs) from Gaia early Data Release 3, we investigate the possibility of any past association by integrating orbits for the two UFDs in a MW-only and a combined MW and Large Magellanic Cloud (LMC) potential. We find that including the gravitational influence of the LMC is crucial, even for these outer-halo satellites, and that a possible orbital history exists where Peg III and Psc II experienced a close ($\sim$10-20 kpc) passage about each other just over $\sim$1 Gyr ago, followed by a collective passage around the LMC ($\sim$30-60 kpc) just under $\sim$1 Gyr ago. Considering the large uncertainties on the PMs and the restrictive priors imposed to derive them, improved PM measurements for Peg III and Psc II will be necessary to clarify their relationship. This would add to the rare findings of confirmed pairs of satellites within the Local Group.

연구 동기 및 목표

• 깊은 HST 광도 측정을 통해 초연약은하군 Pegasus III 및 Pisces II의 구조적 파ameters(반광도 반경, 절대 등급)를 측정한다.
• 최근에 확정된 절대 등급을 이용해 질량-광도 비율을 유도하고, 초연약은하군 시뮬레이션과의 일관성을 평가한다.
• Gaia eDR3 적외선 운동량과 궤도 통합을 이용해 MW 단독 및 MW+LMC 중력장 모델에서 Peg III 및 Psc II의 역동적 역사를 조사한다.
• 두 초연약은하군이 운동학적 및 공간적 근접성에 기반해 중력적으로 유대된 쌍일 수 있는지 시험한다.
• Peg III 및 Psc II가 연관되어 있는지 확실히 판단하기 위해 향후 적외선 운동량 측정에 필요한 정밀도를 평가한다.

제안 방법

• ACS 및 WFC3를 이용한 깊은 HST 이미징을 확보하여 Peg III 및 Psc II의 고정밀 광도 측정을 수행한다.
• 등밀도 등고선 맵핑 및 항성 밀도 프로파일 피팅을 사용해 반광도 반경과 구조적 파ameters를 측정한다.
• 지구에서의 거리와 흡수 보정을 통해 절대 등급(MV)을 계산하고 질량-광도 비율을 유도한다.
• Gaia eDR3 적외선 운동량을 이용해 MW 단독 및 MW+LMC 중력장 모델에서 두 초연약은하군의 궤도를 과거로 역행 통합한다.
• 관측된 시스템과 비관측 시스템을 구분하기 위해 필요한 횡방향 속도 측정 정밀도를 평가하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• Li 등(2021)과 McConnachie & Venn(2020)의 서로 다른 적외선 운동량 측정 결과를 비교하여 입력 불확실성에 대한 민감도와 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pegasus III 및 Pisces II는 과거 상호작용을 시사하는 형태학적 특징을 보이는가?
• RQ2 Peg III 및 Psc II의 궤도 역사는 어떻게 되며, 이들 사이에 타당한 과거 근접 통과가 있었는가?
• RQ3 대마젤란운의 중력장 모델을 포함할 경우, 이 외부 은하군의 궤도 해법에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Peg III 및 Psc II가 유대된 쌍인지 확실히 판단하기 위해 필요한 적외선 운동량 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ5 Peg III 및 Psc II의 관측된 운동학적 및 공간적 특성은 초연약은하군 질량 시뮬레이션의 예측과 일치하는가?

주요 결과

• Pegasus III는 반광도 반경 1.′88+0.42−0.33 (118+31−30 pc)이며 절대 등급 MV = −4.17+0.19−0.22이다.
• Pisces II는 반광도 반경 1.′31+0.10−0.09 (69 ± 8 pc)이며 절대 등급 MV = −4.28+0.19−0.16이다.
• 투영 거리 약 ~40 kpc에도 불구하고, Peg III 및 Psc II 사이에 상당한 상호작용을 시사하는 형태학적 특징은 발견되지 않았다.
• LMC의 중력장을 포함한 궤도 통합 분석은 약 10–20 kpc 이내의 과거 근접 통과가 약 10억 년 전에 있었고, 그 이후 대체로 LMC 근처(~30–60 kpc)에서 집단 통과가 있었음을 시사한다.
• 향후 적외선 운동량 측정 정밀도가 약 50 km s−1에 도달할 경우, 우연의 연관 가능성은 낮다(4.7%), 특히 선속도 차이가 작을 경우 더욱 그렇다.
• 두 초연약은하군 간 속도 차이가 약 ~50 km s−1 미만일 경우, 약 95%의 신뢰도로 중력적으로 유대된 쌍임을 시사하며, 이는 HST 또는 향후 Gaia 발표 자료의 개선된 적외선 운동량 데이터가 필요하다.