[论文解读] A purely acceleration-based measurement of the fundamental Galactic parameters

Jo Bovy|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用 15

一句话总结

本文利用盖亚 EDR3 数据，通过纯加速度方法确定银河系基本参数，结合类星体自行运动测量的太阳系绝对加速度与脉冲星轨道衰减观测。该研究得出太阳的旋转速度 $V_0 = 244 \pm 8\ \mathrm{km\,s}^{-1}$ 及其局部梯度 $V_0' = 2 \pm 9\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$，这是首个仅依赖广义相对论与几何测量、无需动力学平衡假设的此类测定。

ABSTRACT

Klioner et al. have used the Gaia EDR3 data to directly measure the solar system's acceleration within the Milky Way using the apparent proper motions of quasars. Here I show that this single absolute acceleration measurement in combination with relative accelerations obtained from pulsar orbital decay allows one to determine all of the parameters describing the dynamics of our local Galactic environment, including the circular velocity at the Sun $V_0 = 244 \pm 8$ km/s and its derivative $V'_0 = 2 \pm 9$ km/s/kpc, the local angular frequency, the Oort constants, and the Sun's motion with respect to the LSR. This is the first determination of these parameters that only uses the general theory of relativity without the need for additional assumptions.

研究动机与目标

• 使用仅基于几何与基本物理测量的方法确定银河系基本参数，避免对动力学平衡或轴对称性的假设。
• 利用盖亚 EDR3 对类星体自行运动的直接测量，确定太阳系朝银河系中心的加速度。
• 将该结果与脉冲星轨道衰减数据结合，推断局部旋度曲线斜率及其他运动学参数。
• 提供对局部银河系引力场与速度场的自洽、无假设测定。
• 提升暗物质探测与天体物理建模中银河系参数的精度与可靠性。

提出的方法

• 利用盖亚 EDR3 天体测量数据，通过加速度引起的光行差效应，测量遥远类星体的视自行运动模式，从而确定太阳系的加速度。
• 将加速度表示为自行量 $\tilde{a} = a_0 / c = V_0^2 / (c R_0)$，直接关联至 $V_0$ 与 $R_0$。
• 利用 S2 恒星轨道的 GRAVITY 观测结果，精确获得 $R_0 = 8.275 \pm 0.034\ \mathrm{kpc}$，据此由加速度测量推导 $V_0$。
• 利用脉冲星轨道衰减测量相对径向加速度，从而约束脉冲星距离处的局部旋转速度。
• 采用 2.5 kpc 的标长修正高度相关的旋转速度，拟合线性模型以推断局部斜率 $V_0'$。
• 由 $\Omega_0 = V_0 / R_0$ 与 $V_0'$ 推导奥尔特常数 $A$ 与 $B$，确保与局部运动学的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在不假设动力学平衡或轴对称性的情况下，仅通过加速度方法确定太阳附近的银河系旋转速度 $V_0$？
• RQ2 在多大程度上可仅通过加速度方法测量太阳附近旋度曲线的斜率？
• RQ3 奥尔特常数与太阳的本地本动速度如何与加速度和距离的基本物理测量相关联？
• RQ4 脉冲星轨道衰减能否提供对局部引力场稳健且独立的约束？
• RQ5 非轴对称扰动对传统运动学参数估计的影响如何？是否可避免此类影响？

主要发现

• 基于盖亚 EDR3 的太阳系加速度测量得到 $V_0 = 244 \pm 8\ \mathrm{km\,s}^{-1}$，由 $\tilde{a} = 5.05 \pm 0.35\ \mu\mathrm{as\,yr}^{-1}$ 与 $R_0 = 8.275 \pm 0.034\ \mathrm{kpc}$ 推导得出。
• 旋度曲线的局部斜率测量为 $V_0' = 2 \pm 9\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$，与平坦旋度曲线一致。
• 太阳位置的角速度为 $\Omega_0 = 29.4 \pm 1.0\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$，由 $V_0$ 与 $R_0$ 推导得出。
• 奥尔特常数确定为 $A = 13.8 \pm 4.7\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$ 与 $B = -15.6 \pm 4.7\ \mathrm{km\,s}^{-1}\ \mathrm{kpc}^{-1}$，与局部运动学一致。
• 太阳相对于本地标准静止系的本动速度为 $V_\odot = 8.0 \pm 8.4\ \mathrm{km\,s}^{-1}$，由于当前数据精度限制，不确定性较大。
• 该方法避免了对平衡或轴对称性的假设，仅依赖广义相对论与几何测量，标志着向无假设银河系运动学迈出重要一步。