[論文レビュー] Pattern speeds in the Milky Way

Ortwin Gerhard|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2010

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、銀河の棒と渦巻き腕のパターン速度を特定する複数の手法をレビューし、棒のパターン速度が50–60 km s⁻¹ kpc⁻¹と高く、コリレーション半径が3.5–4.5 kpcに位置することを明らかにした。一方、渦巻き腕のパターン速度は17–28 km s⁻¹ kpc⁻¹と遅く、太陽の軌道の外側にコリレーション半径がある。これらの結果は、棒と渦巻き腕が動的に分離していることを示している。

ABSTRACT

A brief review is given of different methods used to determine the pattern speeds of the Galactic bar and spiral arms. The Galactic bar rotates rapidly, with corotation about halfway between the Galactic center and the Sun, and outer Lindblad resonance not far from the solar orbit, R0. The Galactic spiral arms currently rotate with a distinctly slower pattern speed, such that corotation is just outside R0. Both structures therefore seem dynamically decoupled.

研究の動機と目的

• 銀河の棒と渦巻き腕のパターン速度を測定する複数の独立した手法を統合・比較すること。
• 異なる観測的・モデル化的手法によるパターン速度推定値の不一致を解消すること。
• パターン速度の制約に基づいて、棒と渦巻き腕が動的に結合しているか、分離しているかを特定すること。
• 棒と渦巻き腕が太陽付近の局所的星の速度分布に与える影響を評価すること。
• 運動学、ガス力学、星の流跡などの多様なデータソースを統合し、一貫性のあるパターン速度の推定値を提示すること。

提案手法

• OH/IR星のサンプル250個を用いて、修正されたTremaine-Weinbergの連続性議論を適用し、局所標準速度系に対する速度差を用いて棒のパターン速度を測定する。
• ガスの流れの流体力学的シミュレーションを用い、観測されたCOおよびHI $l$-$v$ 図と一致させ、パターン速度を、渦巻き腕の接線および雲の位置のフィッティングによって制約する。
• 高速棒における $R_{\rm CR}/R_{\rm B} = 1.2 \pm 0.2$ の関係を用いて、棒のコリレーション半径からパターン速度を推定する。
• テスト粒子軌道の逆方向積分を用いて太陽近傍の星の速度分布関数（VDF）をモデル化し、棒の外ラインブレッドソン共振（OLR）付近の共鳴構造を同定する。
• OB星およびセフェイドの速度に運動学モデルをフィットさせ、太陽運動およびOort定数を含め、渦巻き腕のパターン速度を制約する。
• 2アームの渦巻きパターンに対するディスクの自己無撞着応答をシミュレーションで解析し、観測された接点およびガス的特徴と整合性があるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OH/IR星の直接的運動学的測定により、銀河の棒のパターン速度は何か？
• RQ2 ガス力学の流体力学的シミュレーションは、観測された $l$-$v$ 図に基づいて、棒のパターン速度をどのように制約するか？
• RQ3 若年星のトレーサーおよび速度場解析から、銀河の渦巻き腕のパターン速度は何か？
• RQ4 棒は太陽近傍の局所的星の速度分布にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 棒と渦巻き腕のパターンは動的に結合しているか、それとも独立して回転しているか？

主な発見

• OH/IR星の直接的運動学的測定により、$u_{\rm LSR} \approx 0$ を仮定すると、棒のパターン速度は $\Omega_{\rm b} = 59 \pm 5 \pm 10$ km s⁻¹ kpc⁻¹ に制約される。
• ガスの流れの流体力学的モデルは、$\Omega_{\rm b} = 52 \pm 10$ km s⁻¹ kpc⁻¹ の一貫性のある推定値をもたらし、標準的な $R_0 = 8$ kpc および $V_0 = 220$ km s⁻¹ の下でコリレーション半径 $R_{\rm CR} = 3.5{-}5.0$ kpc となる。
• 太陽近傍の星の速度分布のモデリングにより、棒のパターン速度が $\Omega_{\rm b} = 51.5 \pm 1.5$ km s⁻¹ kpc⁻¹ であることが支持され、太陽の軌道付近のOLRに一致する。
• 渦巻き腕のパターン速度は著しく遅く、オープンクラスタの誕生地点解析および若年星の運動学から $\Omega_{\rm sp} \simeq 25 \pm 2$ km s⁻¹ kpc⁻¹ が得られ、太陽の軌道の外側にコリレーション半径がある。
• セフェイドおよびOB星の運動学的モデリングにより、$\Omega_{\rm sp} \simeq 17{-}28$ km s⁻¹ kpc⁻¹ の広い範囲が得られ、より長い動的時標識と整合的である。
• 棒と渦巻き腕は動的に分離しており、棒は高速で回転しコリレーション半径が $\sim$3.5–4.5 kpc に位置するが、渦巻き腕のコリレーション半径は $R_0$ よりわずかに外側にある。