[論文レビュー] Gaia-DR2 extended kinematical maps. Part I: Method and application

M. López‐Corredoira, Francesco Sylos Labini|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、ガイヤー・ドライブ2（Gaia-DR2）の視差誤差から3次元星の運動学を回復するための新しい統計的デコンボリューション手法を提示する。従来の研究が13 kpcまでに制限されていたのに対し、本手法により銀河中心からの半径20 kpcまで運動学的マップを拡張し、特に方位方向および半径方向成分において顕著な非円運動、速度勾配、南北非対称性を明らかにした。

ABSTRACT

CONTEXT. The Gaia Collaboration has used Gaia-DR2 sources with six-dimensional (6D) phase space information to derive kinematical maps within 5 kpc of the Sun, which is a reachable range for stars with relative error in distance lower than 20%. AIMS. Here we aim to extend the range of distances by a factor of two to three, thus adding the range of Galactocentric distances between 13 kpc and 20 kpc to the previous maps, with their corresponding error and root mean square values. METHODS. We make use of the whole sample of stars of Gaia-DR2 including radial velocity measurements, which consists in more than seven million sources, and we apply a statistical deconvolution of the parallax errors based on the Lucy's inversion method of the Fredholm integral equations of the first kind, without assuming any prior. RESULTS. The new extended maps provide lots of new and corroborated information about the disk kinematics: significant departures of circularity in the mean orbits with radial Galactocentric velocities between -20 and +20 km/s and vertical velocities between -10 and +10 km/s; variations of the azimuthal velocity with position; asymmetries between the northern and the southern Galactic hemispheres, especially towards the anticenter that includes a larger azimuthal velocity in the south; and others. CONCLUSIONS. These extended kinematical maps can be used to investigate the different dynamical models of our Galaxy, and we will present our own analyses in the forthcoming second part of this paper. At present, it is evident that the Milky Way is far from a simple stationary configuration in rotational equilibrium, but is characterized by streaming motions in all velocity components with conspicuous velocity gradients.

研究の動機と目的

• 視差誤差が大きいが、依然として情報が回復可能な範囲まで、ガイヤー・ドライブ2の運動学的マップの適用範囲を13 kpcから20 kpcまで拡大すること。
• 従来の手法が距離誤差が20%未満の星に限られるという制限を克服するため、視差データに対して誤差デコンボリューションを適用すること。
• 湾曲やフラットネスが顕著になると予想される領域における外側銀河円盤の運動学を調査すること。
• 事前分布を仮定しない、強固な統計的フレームワークを提供し、ノイズの多い視差測定値から3次元速度分布を推定すること。
• 今後、これまでにない広い距離範囲で銀河円盤およびハローの形態とダイナミクスを調査できるようにすること。

提案手法

• ガイヤー・ドライブ2の視差に含まれるガウス分布の誤差を、事前分布を仮定しないまま、ルシーの逆問題解法を用いてフリードホルム積分方程式の第一種に適用してデコンボリューションする。
• 径運動速度を有する720万個のガイヤー・ドライブ2星の全サンプルを用い、観測された視差分布から真の距離分布を推定する。
• 標準的な運動学的変換を用いて、ヘリオセントリック座標および速度を銀河中心座標系の円柱座標（R, φ, Z）に変換する。
• 銀河中心からの半径R、方位角φ、高さZの各ボックスに星をビニングし、各ボックスで平均速度および速度分散を計算することで3次元運動学的マップを構築する。
• 方位速度プロファイルを解釈するにあたり、観測されたVφが真の円運動速度ではないことを見越して、非対称性補正を実施する。
• シミュレーションデータを用いたテストと太陽系近傍での既知の速度構造との比較により、手法の信頼性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視差誤差のデコンボリューションにより、ガイヤー・ドライブ2の運動学的マッピングに使える距離範囲は、標準的な13 kpcの限界をどれだけ超えて拡大できるか。
• RQ2 デコンボリュートされた視差データを用いることで、外側銀河円盤（R > 13 kpc）にどのような運動学的特徴（例えば、ストリーミング運動、速度勾配、非対称性）が現れるか。
• RQ3 径方向、方位方向、垂直方向の速度成分は銀河円盤全体でどのように変化するか。また、顕著な南北半球の差異は見られるか。
• RQ4 R > 18 kpcの領域で方位速度プロファイルは平坦か、減少するか。これは動的平衡モデルの予測とどのように一致するか。
• RQ5 高視差誤差領域（例えば、反対方向や外側円盤のフラットネス領域）においても、この手法は意味のある運動学的構造を回復できるか。

主な発見

• 本手法により、運動学的マップの適用範囲が銀河中心からの半径20 kpcまで拡大され、従来の研究と比較して使用可能な距離範囲が2〜3倍に拡大された。
• 顕著な非円運動が検出された。平均径方向速度は-20〜+20 km/s、垂直方向速度は-10〜+10 km/sの範囲にあり、強いストリーミング運動を示している。
• R = 18 kpcにおける方位速度は、太陽系の周囲（R ≈ 8 kpc）と比較して約10%低下しており、外側円盤で回転曲線が平坦でないことを示唆している。
• 南北非対称性が顕著に現れ、特に反対方向において顕著で、南銀河半球でより高い方位速度が観測された。
• すべての3つの成分で速度勾配が観測された：径方向（約40 km/s）、方位方向（約40 km/s）、垂直方向（約10 km/s）、非軸対称なダイナミクスが強いことを示している。
• 本手法により、大規模な視差誤差がある場合でも、明るさ関数を介して線銀河方向の星の密度プロファイルを推定可能となり、形状的調査がより広い距離範囲にまで拡張された。