[논문 리뷰] Measuring the Sun's velocity using Gaia EDR3 observations of Stellar Streams

Khyati Malhan, Rodrigo Ibata외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 09.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 17개의 별의 흐름을 이용해 태양의 은하 헬름에 대한 속도를 가우아 EDR3 관측 자료를 통해 측정한다. 비회전 기준계에서 흐름의 운동 방향이 기하학적으로 정렬되어 있음을 가정하여 태양의 반사 운동을 유추한다. 결과적으로 V_{R,\odot} = 8.88^{+1.20}_{-1.22} km s^{-1}, V_{\phi,\odot} = 241.91^{+1.61}_{-1.73} km s^{-1}, V_{z,\odot} = 3.08^{+1.06}_{-1.10} km s^{-1}를 보고하며, z성분은 은하 중심의 Sgr A* 운동에 기반한 이전 측정치와 비교해 소규모이지만 유의미한 불일치를 보인다.

ABSTRACT

We measure the Sun's velocity with respect to the Galactic halo using Gaia Early Data Release 3 (EDR3) observations of stellar streams. Our method relies on the fact that, in low-mass streams, the proper motion of stars should be directed along the stream structure in a non-rotating rest frame of the Galaxy, but the observed deviation arises due to the Sun's own reflex motion. This principle allows us to implement a simple geometrical procedure, which we use to analyse 17 streams over a $\sim 3-30$ kpc range. Our constraint on the Sun's motion is independent of any Galactic potential model, and it is also uncorrelated with the Sun's galactocentric distance. We infer the Sun's velocity as $V_{R,\odot}=8.88^{+1.20}_{-1.22}\, m{kms^{-1}}$ (radially towards the Galactic centre), $V_{ϕ,\odot}=241.91^{+1.61}_{-1.73}\, m{kms^{-1}}$ (in the direction of Galactic rotation) and $V_{z,\odot}=3.08^{+1.06}_{-1.10}\, m{kms^{-1}}$ (vertically upwards), in global agreement with past measurements through other techniques; although we do note a small but significant difference in the $V_{z,\odot}$ component. Some of these parameters show significant correlation and we provide our MCMC output so it can be used by the reader as an input to future works. The comparison between our Sun's velocity inference and previous results, using other reference frames, indicates that the inner Galaxy is not moving with respect to the inertial frame defined by the halo streams.

연구 동기 및 목표

• 은하의 잠재력 모델에 의존하지 않고 태양의 은하 헬름에 대한 3차원 속도를 독립적으로 결정하는 것.
• 축대칭성, 정적 역학, 국지 표준 운동에 대한 가정을 피하기 위해 별의 흐름을 운동학적 추적자로 사용하는 것.
• 저질량 별의 흐름의 운동량을 이용해 태양의 운동에 대해 모델에 의존하지 않는 기하학적 제약 조건을 제공하는 것.
• 특히 헬름 기반 측정치와 디스크 기반 측정치를 비교하여 태양의 속도 일관성을 테스트하는 것.
• 향후 천체역학 모델링 및 암흑물질 탐지 연구에 활용할 수 있도록 MCMC 사후 표본을 제공하는 것.

제안 방법

• 가우아 EDR3 천체측량 자료를 이용해 은하 중심으로부터 3–30 kpc 범위에서 17개의 저질량 별의 흐름을 식별하고, 그 운동량을 추적한다.
• 비회전 은하 기준계에서 별의 흐름이 운동 방향과 평행하게 움직여야 한다는 기하학적 방법을 적용한다.
• 이 정렬에서 벗어남을 태양의 헬름에 대한 상대 속도로 인한 반사 운동의 직접적 징후로 측정한다.
• MCMC를 사용한 가능도 기반 피팅을 통해 태양의 세 성분 속도를 추론한다: 적도 방향(V_{R,\odot}), 회전 방향(V_{\phi,\odot}), 수직 방향(V_{z,\odot}).
• 은하의 잠재력이나 원형 속도에 대한 가정 없이 관측된 흐름 기하학과 운동량에만 의존한다.
• 향후 다른 천체역학 모델에 통합할 수 있도록 전체 MCMC 사후 표본을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하의 잠재력 모델에 의존하지 않고 태양의 은하 헬름에 대한 속도는 무엇인가?
• RQ2 별의 흐름을 통해 유도된 태양의 운동 세 성분(적도, 회전, 수직)은 다른 방법으로 측정된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 헬름 기반 측정치와 디스크/은하 중심 기반 측정치 사이에서 수직 속도 성분(V_{z,\odot})에 유의미한 불일치가 있는가?
• RQ4 흐름 운동학에 따르면 내부 은하가 헬름에 대해 움직이고 있는가?
• RQ5 별의 흐름은 은하수에서 태양의 운동을 자가 일관성 있고 기하학적이며 모델에 의존하지 않는 측정으로 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 태양의 은하 중심 향한 적도 속도는 V_{R,\odot} = 8.88^{+1.20}_{-1.22} km s^{-1}로 이전 추정치와 일치한다.
• 은하의 자전 방향으로의 회전 속도는 V_{\phi,\odot} = 241.91^{+1.61}_{-1.73} km s^{-1}로 최근 고정밀 측정치와 양호하게 일치한다.
• 수직 속도 성분 V_{z,\odot} = 3.08^{+1.06}_{-1.10} km s^{-1}는 Sgr A* 운동량으로부터 유도된 8.49 ± 0.27 km s^{-1}보다 유의미하게 낮다.
• V_{z,\odot}의 불일치는 내부 은하와 외부 은하 사이에 상대 운동이 존재할 가능성을 시사하며, 외부 요동으로 인한 것으로 보인다.
• 은하의 잠재력과 거리에 대한 가정 없이 측정되었기에 천체역학 모델링에서 발생할 수 있는 체계적 오차가 감소한다.
• 모든 세 속도 성분에 대한 MCMC 사후 표본이 공개되어 향후 은하 역학 및 암흑물질 연구에 통합될 수 있다.