[논문 리뷰] Kinematics in galactic tidal tails - A source for Hypervelocity stars?

T. Piffl, M. Williams외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 04.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 61인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 은하 외곽에서 관측된 초고속성 항성(HVSs)이 중심 초거대 블랙홀에 의한 분출이 아니라 파손된 위성은하의 tidal 잔해에서 유래할 수 있는지 조사한다. N-body 시뮬레이션과 분석적 탈구 모델을 사용하여 저자들은 질량이 큰 위성(M > 10⁹ M⊙)이 중력 상호작용을 통해 비결속성 항성을 생성할 수 있음을 보여주지만, 운동학적 및 금속성 불일치로 인해 이러한 항성이 관측된 HVS 집단과 일치할 확률은 낮음을 밝힌다.

ABSTRACT

[abridged] In this work we study in detail the kinematics of tidal debris stars to investigate the implications of the new scenario that the observed sample of Hypervelocity stars could partly originate from a dwarf-host galaxy collision. We use a suite of N-body simulations following the encounter of a satellite galaxy with its Milky Way-type host galaxy to gather statistics on the properties of stripped-off stars. We study especially the orbital energy distribution of this population. We quantify the typical pattern in angular and phase space formed by the debris stars. We further develop a simple stripping model predicting the kinematics of stripped-off stars. We show that the distribution of orbital energies in the tidal debris has a typical form which can be described quite accurately by a simple function. Based on this we develop a method to predict the energy distribution which allows us to evaluate the significance and the implications of high velocity stars in satellite tidal debris. Generally tidal collisions of satellite galaxy produce stars which escape into the intragalactic space even if the satellite itself is on a bound orbit. The main parameters determining the maximum energy kick a tidal debris star can get is the initial mass of the satellite and only to a lower extent its orbit. Main contributors to an unbound stellar population created in this way are massive satellites (M_sat > 10^9 M_sun). We thus expect intragalactic stars to have a metallicity higher than the surviving satellite population of the Milky Way. However, the probability that the observed HVS population is significantly contaminated by tidal debris stars appears small in the light of our results.

연구 동기 및 목표

• 파손된 위성은하의 탈구 잔해가 관측된 초고속성 항성(HVSs)과 유사한 속도를 가진 항성을 생성할 수 있는지 평가하기.
• 위성-은하계 충돌 중에 탈구된 항성의 운동학적 특성—특히 궤도 에너지 분포—를 규명하기.
• 관측된 HVS 집단이 블랙홀 분출 메커니즘의 유일한 결과가 아니라 탈구 잔해에서 기인한 병원성 오염을 겪고 있을 가능성이 있는지 평가하기.
• 완전한 N-body 시뮬레이션을 요구하지 않는 간단한 분석적 모델을 개발하여 탈구된 항성의 에너지 분포를 예측하기.
• 탈구에 의해 형성된 잠재적 간성간 항성 집단의 금속성 및 질량 분포를 추정하기.

제안 방법

• 밀려는 은하 유형의 주은하에 의해 탈구되는 위성은하를 모의하기 위한 총 41개의 N-body 시뮬레이션 수행.
• 탈구된 항성의 궤도 에너지 분포 분석을 통해 위상 및 각도 공간에서의 특징적 패tern 규명.
• 에너지 타격 추정식(식 13)을 기반으로 한 분석적 탈구 모델 개발하여 최대 분출 속도 예측.
• 탈구된 항성의 에너지 분포를 자기유사 함수(식 17)로 피팅하여 특성 에너지 및 정규화로 파arameter화.
• 피팅 함수를 사용하여 위성 질량 및 초기 궤도에 따라 비결속성 항성으로 분출되는 질량 비율 계산.
• 관측된 위성 광도 함수(Koposov 등 2008)와 질량 분출 함수를 컨볼루션하여 누적 HVS 질량 생성 함수 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파손된 위성은하의 탈구 잔해가 관측된 초고속성 항성과 유사한 속도를 가진 항성을 생성할 수 있는가?
• RQ2 위성-은하계 충돌 중 탈구된 항성의 특성 에너지 분포는 무엇인가?
• RQ3 위성의 초기 질량 및 궤도 파rameter는 최대 속도와 비결속성 항성 비율에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 관측된 HVS 집단이 블랙홀 분출이 아닌 탈구 잔해에서 기인한 병원성 오염을 겪고 있을 가능성이 높은가?
• RQ5 탈구에 의해 형성된 간성간 항성 집단의 기대 금속성 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 질량이 큰 위성(M > 10⁹ M⊙)에서 탈구된 항성은 비결속 속도에 이를 수 있으며, 최대 에너지 타격은 주로 위성의 초기 질량에 의해 결정된다.
• 탈구된 항성의 에너지 분포는 자기유사 형태(식 17)를 따르며, 특성 에너지 및 정규화 두 개의 파rameter로 정확히 기술된다.
• 오직 질량이 >10¹¹ M⊙인 위성만이 속도가 >500 km s⁻¹인 항성을 생성할 수 있으며, 이러한 고속 분출은 매우 질량이 큰 원천 또는 비결속 궤도를 가져야만 가능하다.
• 잠재적 간성간 항성 집단 질량의 대부분(95%)은 M > 10⁹ M⊙인 위성에서 유래하며, 이는 천체역학 시뮬레이션과 일치한다.
• 탈구된 항성은 더 질량이 크고 금속 농도가 높은 항성들이 우선적으로 분출되므로, 생존한 위성 집단보다 평균 금속성을 더 높게 예상된다.
• 관측된 HVS의 이동 시간 집합성과 비대칭적인 하늘 분포를 탈구 잔해로 쉽게 설명할 수 없으며, 운동학적 불일치로 인해 이 원천으로부터 HVS 샘플이 중대한 오염을 겪을 가능성은 낮다.