[论文解读] Bars & boxy/peanut bulges in thin & thick discs: I. Morphology and line-of-sight velocities of a fiducial model

Francesca Fragkoudi, P. Di Matteo+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用 28

一句话总结

本研究利用N体模拟研究了薄盘（运动学冷）和厚盘（运动学热）在盘星系中如何形成不同的旋臂和盒形/花生（b/p）星系核。结果表明，薄盘恒星由于在旋臂中高效被捕获，形成更强的X形b/p星系核；而厚盘恒星因具有更高的角动量和更大的径向振荡，产生较弱的盒形b/p星系核，并在旋臂外区表现出比薄盘恒星高至40%的视线速度——凸显了恒星运动学在旋臂-星系核形态与动力学中的关键作用。

ABSTRACT

We explore trends in the morphology and line-of-sight (los) velocity of stellar populations in the inner regions of disc galaxies, using N-body simulations with both a thin (kinematically cold) and a thick (kinematically hot) disc which form a bar and boxy/peanut (b/p) bulge. The bar in the thin disc component is $\sim$50\% stronger than the thick disc bar and is more elongated, with an axis ratio almost half that of the thick disc bar. The thin disc b/p bulge has a pronounced X-shape, while the thick disc b/p is weaker with a rather boxy shape. This leads to the signature of the b/p bulge in the thick disc to be weaker and further away from the plane than in the thin disc. Regarding the kinematics, we find that the los velocity of thick disc stars in the outer parts of the b/p bulge can be \emph{larger} than that of thin disc stars, by up to 40\% and 20\% for side-on and Milky Way-like orientations of the bar respectively. This is due to the different orbits followed by thin and thick disc stars in the bar-b/p region, which are affected by the fact that: i) thin disc stars are trapped more efficiently in the bar - b/p instability and thus lose more angular momentum than their thick disc counterparts and ii) thick disc stars have large radial excursions and therefore stars from large radii with high angular momenta can be found in the bar region. We also find that the difference between the los velocities of the thin and thick disc in the b/p bulge ($\Delta v_{los}$) correlates with the initial difference between the radial velocity dispersions of the two discs ($\Delta \sigma$) . We therefore conclude that stars in the bar - b/p bulge will have considerably different morphologies and kinematics depending on the kinematic properties of the disc population they originate from.

研究动机与目标

• 研究运动学上不同的薄盘与厚盘在盘星系中如何映射为旋臂与盒形/花生（b/p）星系核。
• 解决目前对厚盘动力学属性（质量、标长、速度 dispersion）如何影响旋臂与b/p形态及动力学的系统性研究缺乏的问题。
• 理解角动量转移与轨道结构在塑造旋臂-b/p系统中恒星形态与视线速度中的作用。
• 为银河系内区恒星族之间观测到的动力学与形态差异提供物理解释，尤其在银河系背景下。

提出的方法

• 对具有薄盘（标高0.3 kpc，运动学冷）和厚盘（标高0.9 kpc，运动学热）的孤立盘星系进行N体模拟。
• 分别追踪各盘组分的恒星粒子，以分析其对旋臂与b/p星系核形成的独立贡献。
• 利用圆柱坐标旋转与角动量转移分析，研究旋臂区域的动力学行为与轨道结构。
• 沿旋臂主轴测量视线（los）速度与密度分布，以量化形态差异（如X形与盒形）。
• 将初始径向速度 dispersion 差异（∆σ）与最终los速度差异（∆vlos）相关联，以识别比例关系。
• 将模拟结果与ARGOS、GES和APOGEE巡天的观测数据对比，以验证动力学趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双盘星系模型中，薄盘与厚盘组分的旋臂与b/p星系核形态特性有何不同？
• RQ2 是什么原因导致b/p星系核外区厚盘恒星的视线速度超过薄盘恒星？
• RQ3 初始径向速度 dispersion 差异与最终los速度差异在旋臂-b/p区域的相关程度如何？
• RQ4 角动量转移与轨道结构如何解释薄盘与厚盘恒星在旋臂-b/p系统中表现出的形态与动力学特征差异？
• RQ5 外区厚盘中具有大径向振荡与高角动量的恒星在填充旋臂区域中扮演何种角色？

主要发现

• 薄盘旋臂的强度约高50%，轴比接近厚盘旋臂的一半，表明其结构更拉长。
• 薄盘形成明显的X形b/p星系核，而厚盘b/p星系核较弱且更呈盒形，特征不明显。
• 沿旋臂主轴的b/p密度凹陷在厚盘恒星中较弱，且位于更高的平面高度，相较于薄盘恒星更靠外。
• 在侧视图中，厚盘恒星在b/p外区的视线速度比薄盘恒星高出最多40%；在银河系类视角中，高出约20%。
• 这种速度差异源于薄盘恒星损失更多角动量并被束缚在更拉长的轨道上，而具有高角动量的厚盘恒星则通过大径向振荡从大半径区域进入旋臂区域。
• 初始径向速度 dispersion 差异（∆σ）与最终视线速度差异（∆vlos）之间存在显著相关性，证实了恒星族的动力学特性主导了旋臂-b/p的特征。