[论文解读] 3D self-consistent N-body barred models of the Milky Way: I. Stellar dynamics

R. Fux|ArXiv.org|Jun 24, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 7

一句话总结

本文通过使用COBE/DIRBE K波段图和运动学约束，对银河系旋臂结构进行了三维自洽N体模拟，研究恒星动力学。研究发现旋臂倾角为28°±7°，图案速度为50±5 km/s/kpc，俯视轴比为0.5±0.1，模型与本地运动学、面密度及微引力透镜光学深度一致，支持恒定厚度盘和银心质量光比>0.7个太阳单位。

ABSTRACT

Many 3D N-body barred models of the Galaxy extending beyond the Solar circle are realised by self-consistent evolution of various bar unstable axisymmetric models. The COBE/DIRBE K-band map, corrected for extinction, is used to constrain the location of the observer in these models, assuming a constant mass-to-light ratio. The resulting view points in the best matching models suggest that the inclination angle of the Galactic bar relative to the Sun-Galactic centre line is 28+-7 degree. Scaling the masses according to the observed radial velocity dispersion of M giants in Baade's Window, several models reproduce satisfactorily the kinematics of disc and halo stars in the Solar neighbourhood, as well as the disc local surface density and scale parameters. These models have a face-on bar axis ratio b/a=0.5+-0.1 and a bar pattern speed Omega_p=50+-5 km/s/kpc, corresponding to a corotation radius of 4.3+-0.5 kpc. The HI terminal velocity constraints favour models with low disc mass fraction near the centre. The large microlensing optical depths observed towards the Galactic bulge exclude models with a disc scale height hz<250 pc around R=4 kpc, arguing for a constant thickness Galactic disc. The models also indicate that a spiral arm starting at the near end of the bar can contribute as much as 0.5x10^(-6) to the optical depth in Baade's Window. The mass-to-K luminosity ratio of the Galactic bulge is probably more than 0.7 (Solar units), and if the same ratio applies outside the bar region, then the Milky Way should have a maximum disc.

研究动机与目标

• 开发自洽的三维N体模型，模拟银河系旋臂结构，重现观测到的运动学与测光数据。
• 利用COBE/DIRBE K波段图和M型巨星的径向速度弥散度，约束旋臂的方位、图案速度与质量分布。
• 检验模型是否能重现太阳邻域的局部恒星运动学、面密度及尺度参数。
• 评估模型与HI终端速度数据及银河系银心方向微引力透镜光学深度的兼容性。
• 推断银河系银心的质量光比，并评估其对盘面最大质量与厚度的影响。

提出的方法

• 通过自洽演化轴对称模型并激发旋臂不稳定性，生成银河系的三维N体模拟。
• 利用COBE/DIRBE K波段图（已校正消光）约束观测者位置与旋臂方位。
• 采用恒定质量光比以匹配观测到的K波段光度，并推断质量分布。
• 通过Baade窗口中M型巨星的径向速度弥散度标定模型质量，以匹配本地运动学。
• 将模型预测与盘面和晕的观测面密度、尺度长度及尺度高度进行比较。
• 引入HI终端速度数据与微引力透镜光学深度约束，剔除具有不一致盘面厚度或质量分数的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种旋臂倾角与图案速度最能重现太阳邻域观测到的K波段形态与运动学？
• RQ2 自洽的N体模型能否重现银河系盘面的局部恒星面密度与尺度参数？
• RQ3 HI终端速度数据与微引力透镜光学深度对中心盘面质量分数与尺度高度有何约束？
• RQ4 银河系银心的隐含质量光比是多少？其对整体质量分布有何影响？
• RQ5 起始于旋臂近端的旋臂结构是否能对Baade窗口的微引力透镜光学深度有显著贡献？

主要发现

• 基于与COBE/DIRBE K波段图匹配，旋臂相对于太阳-银心连线的倾角为28°±7°。
• 旋臂图案速度为50±5 km/s/kpc，对应回旋半径为4.3±0.5 kpc。
• 俯视图下旋臂轴比为0.5±0.1，与观测到的旋臂形态一致。
• 为匹配观测到的微引力透镜光学深度，模型要求在R≈4 kpc处盘面具有恒定尺度高度（≥250 pc）。
• 起始于旋臂近端的旋臂结构可对Baade窗口光学深度贡献高达0.5×10⁻⁶。
• 银河系银心的质量光比很可能>0.7个太阳单位，若该比值在旋臂区域外也适用，则暗示盘面存在最大质量。