[论文解读] A direct measurement of the distance to the Galactic center using the kinematics of bar stars

Henry Leung, Jo Bovy+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本文利用APOGEE DR17和Gaia EDR3数据，结合astroNN的光谱-测光距离，通过银河系旋臂中恒星的运动学图谱，直接测量了银心距离 $R_0 = 8.23 \pm 0.12\ \text{kpc}$。该方法通过识别旋臂中旋转速度最小值和径向速度四极模式特征，将测量锚定于旋臂的动力学中心，避免了对Sgr A*静止参考系的假设，从而获得迄今为止最稳健的 $R_0$ 估计值。

ABSTRACT

The distance to the Galactic center $R_0$ is a fundamental parameter for understanding the Milky Way, because all observations of our Galaxy are made from our heliocentric reference point. The uncertainty in $R_0$ limits our knowledge of many aspects of the Milky Way, including its total mass and the relative mass of its major components, and any orbital parameters of stars employed in chemo-dynamical analyses. While measurements of $R_0$ have been improving over a century, measurements in the past few years from a variety of methods still find a wide range of $R_0$ being somewhere within $8.0$ to $8.5\,\mathrm{kpc}$. The most precise measurements to date have to assume that Sgr A$^*$ is at rest at the Galactic center, which may not be the case. In this paper, we use maps of the kinematics of stars in the Galactic bar derived from APOGEE DR17 and Gaia EDR3 data augmented with spectro-photometric distances from the exttt{astroNN} neural-network method. These maps clearly display the minimum in the rotational velocity $v_T$ and the quadrupolar signature in radial velocity $v_R$ expected for stars orbiting in a bar. From the minimum in $v_T$, we measure $R_0 = 8.23 \pm 0.12\,\mathrm{kpc}$. We validate our measurement using realistic $N$-body simulations of the Milky Way. We further measure the pattern speed of the bar to be $Ω_\mathrm{bar} = 40.08\pm1.78\,\mathrm{km\,s}^{-1}\mathrm{kpc}^{-1}$. Because the bar forms out of the disk, its center is manifestly the barycenter of the bar+disc system and our measurement is therefore the most robust and accurate measurement of $R_0$ to date.

研究动机与目标

• 提供一种不依赖于Sgr A*静止参考系假设的、直接且稳健的银心距离 ($R_0$) 测量方法。
• 利用银河系旋臂中恒星的运动学作为质心的动态示踪，因为旋臂中心即为旋臂+盘面系统的质心。
• 通过高精度天体测量和光谱学获得的二维旋臂恒星运动学图谱，提升 $R_0$ 的测量精度。
• 利用真实的 $N$-体模拟验证该方法，并评估 $R_0$ 和 $\Omega_{\text{bar}}$ 中的系统性偏差。
• 作为副产品，测量旋臂的图案速度 ($\Omega_{\text{bar}}$)，以增强对银河系内区动力学结构的建模。

提出的方法

• 结合APOGEE DR17的径向速度与Gaia EDR3的天体测量数据（位置、自行），针对银心旋臂区域的恒星进行分析。
• 应用astroNN神经网络，为恒星推导出光谱-测光距离，实现三维相空间重建。
• 构建旋臂区域的二维运动学图谱，包括旋转速度 ($v_T$) 和径向速度 ($v_R$)，以识别动力学特征。
• 将 $v_T$ 的最小值和 $v_R$ 的四极模式作为围绕旋臂中心圆形轨道的指标，用于定位 $R_0$。
• 对银河系进行 $N$-体模拟，以验证方法并评估 $R_0$ 和 $\Omega_{\text{bar}}$ 中的系统性偏差。
• 对运动学图谱采用最大似然拟合，以不确定度形式推导 $R_0$ 和 $\Omega_{\text{bar}}$，最大限度减少对外部假设的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过银河系旋臂中恒星的运动学特性，直接测量银心距离，而无需假设Sgr A*处于静止状态？
• RQ2 旋臂中旋转速度 $v_T$ 的最小值和径向速度 $v_R$ 的四极特征是否能作为 $R_0$ 的可靠动力学锚点？
• RQ3 旋臂中心与银河系盘面与旋臂系统真实质心之间有何关系？
• RQ4 银河系旋臂的图案速度是多少？它如何约束银河系的动力学结构？
• RQ5 与基于S2轨道的 $R_0$ 测量相比，该方法能否提供更精确且系统误差更小的 $R_0$ 测量结果？

主要发现

• 本文通过旋臂运动学图谱中旋转速度 $v_T$ 的最小值，测得 $R_0 = 8.23 \pm 0.12\ \text{kpc}$。
• 该测量结果稳健，因为旋臂中心是旋臂+盘面系统的质心，避免了对Sgr A*静止参考系的假设。
• 测得旋臂的图案速度为 $\Omega_{\text{bar}} = 40.08 \pm 1.78\ \text{km\,s}^{-1}\text{\,kpc}^{-1}$，与其它动力学约束一致。
• 通过 $N$-体模拟验证了方法的可靠性，结果显示 $R_0$ 的系统性偏差极小。
• 该方法避免了影响S2轨道测量 $R_0$ 的仪器和参考系系统误差，为 $R_0$ 提供了更直接的测量路径。
• 未来如SDSS-V、Small-Jasmine和罗马空间望远镜等巡天项目，将通过全盖、基于视差的距离测量，进一步提升该方法的精度。