[论文解读] Models for the 3-D axisymmetric gravitational potential of the Milky Way Galaxy - A detailed modelling of the Galactic disk

Douglas A. Barros, J. R. D. Lépine+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 76被引用 14

一句话总结

本文提出了完全解析的、三维的银河系盘面引力势模型，基于近红外星等计数和HI/H2气体分布进行约束。通过结合高阶（1–3阶）的Miyamoto-Nagai盘模型来描述薄盘/厚盘恒星及气态组分，外加一个核球和暗物质晕，该模型与运动学数据高度一致，尤其通过太阳半径以外的环状密度结构，成功再现了在R ≈ 9.0 kpc处的局部旋转曲线凹陷。

ABSTRACT

Aims. Galaxy mass models based on simple and analytical functions for the density and potential pairs have been widely proposed in the literature. Disk models constrained by kinematic data alone give information on the global disk structure only very near the Galactic plane. We attempt to circumvent this issue by constructing disk mass models whose three-dimensional structures are constrained by a recent Galactic star counts model in the near-infrared and also by observations of the hydrogen distribution in the disk. Our main aim is to provide models for the gravitational potential of the Galaxy that are fully analytical but also with a more realistic description of the density distribution in the disk component. Methods. From the disk model directly based on the observations (here divided into the thin and thick stellar disks and the HI and H$_2$ disks subcomponents), we produce fitted mass models by combining three Miyamoto-Nagai disk profiles of any "model order" (1, 2, or 3) for each disk subcomponent. The Miyamoto-Nagai disks are combined with models for the bulge and "dark halo" components and the total set of parameters is adjusted by observational kinematic constraints. A model which includes a ring density structure in the disk, beyond the solar Galactic radius, is also investigated. Results. The Galactic mass models return very good matches to the imposed observational constraints. In particular, the model with the ring density structure provides a greater contribution of the disk to the rotational support inside the solar circle. The gravitational potential models and their associated force-fields are described in analytically closed forms, and in addition, they are also compatible with our best knowledge of the stellar and gas distributions in the disk component. The gravitational potential models are suited for investigations of orbits in the Galactic disk.

研究动机与目标

• 开发能够反映真实盘面质量分布的、完全解析的、三维银河系引力势模型。
• 通过引入恒星和气体盘分布的观测约束，克服仅依赖运动学数据的模型局限性。
• 通过在太阳半径以外引入环状密度结构，改进旋转曲线的拟合效果。
• 利用闭合形式的势场和力场，实现银河系盘面中精确且快速的轨道计算。
• 检验环状结构是否能解释在R ≈ 9.0 kpc处的局部旋转曲线凹陷，并支持最大盘假设。

提出的方法

• 为每个子组分（薄/厚恒星盘、HI/H2盘）使用三个Miyamoto-Nagai分布，模型阶数为1、2和3，以增强灵活性。
• 利用PJL（2013）的近红外星等计数模型作为恒星盘结构的观测约束，结合近期HI/H2分布调查数据作为气态盘的约束。
• 通过调整参数拟合总势场（由盘、核球和暗物质晕组成），使其与观测到的旋转曲线及本地运动学数据一致。
• 在R₀以外引入环状密度结构，以解释在R ≈ 9.0 kpc处的旋转曲线凹陷，其径向分布基于螺旋臂中共振驱动的形成机制。
• 应用Smith等（2015）的方法，构建具有更高阶次的Miyamoto-Nagai盘，以更好地匹配观测到的面密度分布。
• 确保所有势场和力场均为解析闭合形式，以支持银河系盘面研究中高效、精确的轨道积分。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过完全解析的三维引力势模型，在包含真实三维盘面密度分布的同时，再现观测到的运动学约束？
• RQ2 在太阳半径以外引入环状密度结构是否能改善对观测旋转曲线的拟合效果，特别是对R ≈ 9.0 kpc处凹陷的拟合？
• RQ3 与标准的一阶（order-1）分布相比，高阶（2阶和3阶）Miyamoto-Nagai盘在描述盘组分的径向和垂直结构方面，其表现程度如何？
• RQ4 环状结构如何影响太阳半径以内盘对旋转支持的贡献？是否支持最大盘假设？
• RQ5 该模型是否能为太阳半径以内甚至以外的银河系盘面轨道积分，提供可靠、快速且可解析处理的势场？

主要发现

• 包含环状密度结构的模型成功再现了在R ≈ 9.0 kpc处观测到的旋转曲线凹陷，该凹陷归因于一个密度最小值后紧随一个幅度相近的密度最大值。
• 环状结构增强了太阳半径以内盘对旋转支持的贡献，支持银河系为最大盘星系的假设。
• 高阶Miyamoto-Nagai分布（2阶和3阶）对薄盘和厚盘恒星组分以及气态组分的观测径向和垂直密度分布提供了更优的拟合效果。
• 总引力势场及其相关力场均以解析闭合形式表达，支持快速且精确的轨道计算。
• 该模型在输入数据的空间覆盖范围内保持可靠，尤其在半径≤ 2R₀和高度|z| ≤ 3 kpc范围内；然而，超出这些范围的外推存在不确定性。
• 引入球对称对数势能项有助于将旋转曲线数据拟合至R ≈ 2R₀，尽管其可能反映的是盘/核球的质量-光度趋势，而非独立的物理组分。