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

R. Fux|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 23

一句话总结

本研究通过3D自洽N体SPH模拟，对银河系旋臂结构中的气体动力学进行了建模，环境为一个活动的、非对称的恒星旋臂。研究识别出偏移的尘埃带与旋臂为由旋臂驱动的激波前沿，通过气体团块穿越尘埃带激波，解释了HI和CO ℓ-V图中的关键特征——包括3-kpc臂、反臂以及Bania的团块——并确定旋臂倾角为25°±4°，同心圆半径为4.0–4.5 kpc。

ABSTRACT

The gas dynamics in the Galactic disc is modeled by releasing an initially axisymmetric SPH component in a completely self-consistent and symmetry-free 3D N-body simulation of the Milky Way in which the stellar components display a COBE-like bar. The density centre of the stellar bar wanders around the centre of mass and the resulting gas flow is asymmetric and non-stationary, reproducing the HI and CO l-V diagrams only at specific times and thus suggesting a transient nature of the observed inner gas kinematics. The best matching models allow a new and coherent interpretation of the main features standing out of the l-V data within the bar region. In particular, the l-V traces of the prominent offset dustlanes leading the bar major axis in early-type barred spirals can be unambiguously identified, and the 3-kpc arm and its non-symmetric galactocentric opposite counterarm are the inner prolongations of disc spiral arms passing round the bar and joining the dustlanes at very different galactocentric distances. Bania's clump 1 and 2, and another velocity-elongated feature near l= 5.5 deg, are interpreted as gas lumps crossing the dustlane shocks. The terminal velocity peaks near l=+/- 2.5 deg are produced by gas along the dustlanes and not by the trace of the cusped x1 orbit, which passes farther away from the Galactic centre. According to these models and to related geometrical constraints, the Galactic bar must have an inclination angle of 25+/-4 deg, a corotation radius of 4.0-4.5 kpc and a face-on axis ratio b/a=0.6.

研究动机与目标

• 使用完全自洽、无对称性的3D N体模拟，对银河系内区的气体动力学进行建模，其中包含一个活动的恒星旋臂。
• 通过模拟非定常、非对称的气体流动，解决HI和CO ℓ-V图中观测到的矛盾，特别是‘禁用’速度区域和非对称特征。
• 在动态、基于激波的框架下，解释诸如3-kpc臂、反臂以及Bania的团块等显著特征的起源。
• 利用观测到的ℓ-V数据匹配，约束旋臂的几何参数，特别是其倾角、同心圆半径和俯视轴比。
• 在观测的速度-速度图中识别出偏移尘埃带与旋臂的气态痕迹，将其与激波特性和轨道动力学联系起来。

提出的方法

• 对银河系进行3D自洽N体模拟，其恒星组分从轴对称初始条件演化形成类似COBE的旋臂。
• 在旋臂形成后，将光滑粒子流体动力学（SPH）气体组分以初始轴对称配置释放，使其能自由与活动恒星旋臂相互作用。
• 模拟系统随时间的演化，追踪由旋臂前缘激波驱动的非定常、非对称气体流动。
• 将模拟的ℓ-V图与观测到的HI和CO数据进行比较，以识别匹配模型，并解释速度拉长结构和终端峰值等特征。
• 利用恒星旋臂密度中心的时间依赖行为（在质心周围振荡约300 pc）来模拟随时间变化的气体运动学。
• 分析气体特征在空间和运动学上与尘埃带和旋臂上激波前沿的对齐情况，以验证解释的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系内区ℓ-V图中观测到的非对称和非定常气体运动学，特别是‘禁用’速度区域，其成因是什么？
• RQ2 偏移的尘埃带及其相关激波如何塑造银河系旋臂区域的观测气体速度结构？
• RQ3 3-kpc臂及其远端反臂在旋臂动力学与激波特性的框架下，其起源是什么？
• RQ4 Bania的团块及其他速度拉长特征如何与气体团块穿越尘埃带激波前沿相关联？
• RQ5 对于与观测气体运动学匹配的活动、自洽旋臂模型，最佳拟合动力学参数（倾角、同心圆半径、轴比）是什么？

主要发现

• 银河系内区的气体流动由于活动恒星旋臂密度中心的摆动而呈现非定常和非对称特征，其振幅约为300 pc，频率为20–30 km s⁻¹ kpc⁻¹。
• 在ℓ ≈ ±2.5°附近的终端速度峰值由尘埃带上的激波后气体产生，而非由更远离银河系中心、速度振幅较低的x₁轨道产生。
• 3-kpc臂及其反臂分别是盘面旋臂向内延伸的部分，它们环绕旋臂并在约3.2 kpc和1.8 kpc的银河系中心半径处与尘埃带相接。
• 领先于旋臂主轴的偏移尘埃带被识别为强激波前沿，速度跃迁可达200 km s⁻¹，其位置比x₁轨道更靠近旋臂主轴。
• Bania的团块1被解释为135 km s⁻¹臂以约100 km s⁻¹的入射速度撞击远端尘埃带时形成的，表现为部分吸收与部分沿激波滑行。
• 旋臂被约束为倾角25°±4°，同心圆半径4.0–4.5 kpc，俯视轴比b/a ≈ 0.6，与观测和动力学约束一致。