[논문 리뷰] The Pattern Speed of the Milky Way Bar/Bulge from VIRAC & Gaia

Jonathan P. Clarke, Ortwin Gerhard|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 VIRAC-Gaia (gVIRAC) 데이터에서 거리 해상도가 있는 proper motion를 사용하여 은하수의 바 패턴 속도를 측정하며, 이를 제작된 측정(M2M) 천체역학 모델의 격자와 비교한다. Ωb = 33.29 ± 1.81 km s⁻¹ kpc⁻¹를 도출하여 '긴-느린' 바 시나리오를 지지하며, 최근 태양계 근처 운동 측정과의 일관성을 확인한다.

ABSTRACT

We compare distance resolved, absolute proper motions in the Milky Way bar/bulge region to a grid of made-to-measure dynamical models with well defined pattern speeds. The data are obtained by combining the relative VVV Infrared Astrometric Catalog v1 proper motions with the Gaia DR2 absolute reference frame. We undertake a comprehensive analysis of the various errors in our comparison, from both the data and the models, and allow for additional, unknown, contributions by using an outlier-tolerant likelihood function to evaluate the best fitting model. We quantify systematic effects such as the region of data included in the comparison, the possible overlap from spiral arms, and the choice of synthetic luminosity function and bar angle used to predict the data from the models. Resulting variations in the best-fit parameters are included in their final errors. We thus measure the bar pattern speed to be ${\Omega}_b=33.29\pm1.81 \mathrm{km \, s^{-1} \, kpc^{-1}}$ and the azimuthal solar velocity to be $V_{\phi,\,\odot} = 251.31 \pm 1.95 \mathrm{km \, s^{-1}}$. These values, when combined with recent measurements of the Galactic rotation curve, yield the distance of corotation, 6.5 < $R_{CR}$ [kpc] < 7.5, the outer Lindblad resonance (OLR), 10.7 < $R_{OLR}$ [kpc] < 12.4, and the higher order, m = 4, OLR, 8.7 < $R_{{OLR}_4}$ [kpc] < 10.0. The measured pattern speed provides strong evidence for the "long-slow" bar scenario.

연구 동기 및 목표

• 바/부울지역의 고정밀, 거리 해상도가 있는 proper motion를 사용하여 은하수의 바 패턴 속도(Ωb)를 측정한다.
• 데이터 처리, 모델 가정, 바의 각도 및 빛의 분포 함수와 같은 구조적 매개변수에서 기인하는 체계적 오차를 평가한다.
• 데이터 선택, 나선 팔 오염, 모델 가정의 변화에 대한 패턴 속도 측정의 탄력성을 시험한다.
• 태양계 근처에서 독립적으로 얻은 측정과 일치하는 자기 일관성 있는 천체역학적 제약 조건을 바의 특성에 제공한다.

제안 방법

• VVV 적외선 천체측정 목록(VIRACv1)의 상대 proper motion를 Gaia DR2 기준 절대 기준으로 통합하여 거리 해상도가 있는 절대 proper motion를 확보한다.
• 별 수와 시선 속도를 기반으로 校정된 P17의 모델을 바탕으로, 정의된 패턴 속도를 가진 제작된 측정(M2M) 천체역학 모델의 격자를 사용한다.
• 측정 오차에서 벗어나는 값에 대해 강건한 비교를 가능하게 하기 위해, 관측된 gVIRAC 운동학과 모델 예측 간의 이심치에 민감하지 않은 가능도 함수를 적용한다.
• 등급에 따른 proper motion 오차, 빨간색 거대 별(RC&B) 선택, 빛의 분포 함수 선택, 바의 각도 불확실성에서 기인하는 체계적 오차를 정량화한다.
• 최종 매개변수 추정치를 도출하기 위해, 체계적 오차를 제곱근 합으로 처리한 최대우도 확률 분포를 사용한다.
• 측정된 Ωb를 최근의 회전곡선 데이터와 결합하여 공진기 반경과 리드블라드 공진 반경을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 바/부울지역의 운동학 데이터를 기반으로 은하수 바의 정밀한 패턴 속도(Ωb)는 얼마인가?
• RQ2 바의 각도, 빛의 분포 함수 선택, 나선 팔 오염과 같은 체계적 영향이 측정된 패턴 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 측정된 패턴 속도는 빠르거나 짧은 바보다 '긴-느린' 바 시나리오를 지지하는가?
• RQ4 결과적으로 공진기 반경과 리드블라드 공진 반경은 무엇이며, 허큘레스 스트림과 같은 다른 운동학적 특성과 어떻게 일치하는가?
• RQ5 gVIRAC 데이터는 태양계 근처 운동학에서 유도된 최근의 패턴 속도 추정치를 독립적으로 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 바 패턴 속도는 Ωb = 33.29 ± 1.81 km s⁻¹ kpc⁻¹로 측정되었으며, 체계적 오차가 완전히 고려되었다.
• 태양의 원운동 속도는 𝑉𝜙,⊙ = 251.31 ± 1.95 km s⁻¹로 측정되었으며, 최근의 태양계 근처 측정과 일치한다.
• 공진기 반경은 6.5 < 𝑅CR [kpc] < 7.5로 추정되었으며, 외부 리드블라드 공진 반경(OLR)은 10.7 < 𝑅OLR [kpc] < 12.4로 추정되었다.
• 고차원 𝑚=4 OLR는 8.7 < 𝑅OLR4 [kpc] < 10.0로 발견되어, 태양계 근처의 복잡한 속도 구조와의 가능성을 시사한다.
• 측정된 Ωb 값은 '긴-느린' 바 시나리오를 강하게 지지하며, 최근의 허큘레스 스트림 운동학을 사용한 연구와 일관성을 보인다.
• 모델-데이터 비교에서 기준 사례의 경우 평균제곱오차가 < 9 km s⁻¹로 높은 정밀도를 달성하였으며, P17 모델이 gVIRAC 데이터에 맞추어 피팅되지 않았음에도 불구하고 성립한다.