[论文解读] Distance and extinction to the Milky Way spiral arms along the Galactic centre line of sight

F. Nogueras-Lara, R. Schödel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 101被引用 30

一句话总结

本研究利用 GALACTICNUCLEUS 巡天的高分辨率 JHKs 光度测量，确定了银河系中心视线方向上四条旋臂的距离和消光水平。通过 χ² 最小化方法拟合合成颜色-星等模型至数据，发现四条旋臂的距离分别为 1.6 ± 0.2、2.6 ± 0.2、3.9 ± 0.3 和 4.5 ± 0.2 kpc，对应的 H 波段消光值分别为 0.35 ± 0.08、0.77 ± 0.08、1.68 ± 0.08 和 2.30 ± 0.08 mag，并证实所有特征处近红外消光律具有一致性。

ABSTRACT

The position of the Sun inside the Milky Way's disc hampers the study of the spiral arm structure. We aim to analyse the spiral arms along the line-of-sight towards the Galactic centre (GC) to determine their distance, extinction, and stellar population. We use the GALACTICNUCLEUS survey, a JHKs high angular resolution photometric catalogue (0.2") for the innermost regions of the Galaxy. We fitted simple synthetic colour-magnitude models to our data via $\chi^2$ minimisation. We computed the distance and extinction to the detected spiral arms. We also analysed the extinction curve and the relative extinction between the detected features. Finally, we built extinction-corrected Ks luminosity functions (KLFs) to study the stellar populations present in the second and third spiral arm features. We determined the mean distances to the spiral arms: $d1=1.6\pm0.2$, $d2=2.6\pm0.2$, $d3=3.9\pm0.3$, and $d4=4.5\pm0.2$ kpc, and the mean extinctions: $A_{H1}=0.35\pm0.08$, $A_{H2}=0.77\pm0.08$, $A_{H3}=1.68\pm0.08$, and $A_{H4}=2.30\pm0.08$ mag. We analysed the extinction curve in the near infrared for the stars in the spiral arms and found mean values of $A_J/A_{H}=1.89\pm0.11$ and $A_H/A_{K_s}=1.86\pm0.11$, in agreement with the results obtained for the GC. This implies that the shape of the extinction curve does not depend on distance or absolute extinction. We also built extinction maps for each spiral arm and obtained that they are homogeneous and might correspond to independent extinction layers. Finally, analysing the KLFs from the second and the third spiral arms, we found that they have similar stellar populations. We obtained two main episodes of star formation: $>6$ Gyr ($\sim60-70\%$ of the stellar mass), and $1.5-4$ Gyr ($\sim20-30\%$ of the stellar mass), compatible with previous work. We also detected recent star formation at a lower level ($\sim10\%$) for the third spiral arm.

研究动机与目标

• 太阳位于银河盘面内部，导致高消光的尘埃与气体阻碍了对旋臂结构的详细研究。
• 现有巡天缺乏足够的深度与角分辨率，难以解析高度遮蔽的银道面内区的精细结构。
• 亟需对银河系中心视线方向上各旋臂的精确距离与消光测量，以理解银河系盘面结构与恒星族特征。
• 本研究旨在利用高角分辨率近红外光度测量，表征银河系最内区旋臂的距离、消光与恒星族特征。
• 旨在验证不同旋臂特征间消光律的一致性，并评估其恒星形成历史。

提出的方法

• 使用来自 GALACTICNUCLEUS 巡天的高角分辨率（0.2′′）JHKs 光度数据，覆盖银河系最内区的银晕与核球恒星盘。
• 通过 χ² 最小化方法将合成颜色-星等模型拟合至观测到的 CMD（H 对 J−H），以推导各旋臂特征的距离与消光。
• 利用 Ks 对 H−Ks CMD 中的特征构建 AKs 消光图，评估视线方向上消光的均匀性与空间变化。
• 计算每条旋臂中恒星的消光比值 AJ/AH 与 AH/AKs，以检验消光律在不同距离与消光水平下的恒定性。
• 通过将 GALACTICNUCLEUS 源与 Gaia DR2 进行交叉匹配，对距离最近的两条旋臂进行交叉验证以估算距离。
• 分析第二与第三条旋臂的 Ks 波段光度函数（KLF），通过线性组合 Parsec 理论模型拟合，以推导恒星形成历史（SFH）。

实验结果

研究问题

• RQ1 沿银河系中心视线方向，四条旋臂的距离与消光水平分别是多少？
• RQ2 近红外消光律是否在不同旋臂间保持一致，且与距离或绝对消光水平无关？
• RQ3 每条旋臂的消光图是否具有均匀性，表明其为独立的消光层？
• RQ4 第二与第三条旋臂的恒星形成历史如何？其恒星族特征有何异同？
• RQ5 所推导的距离与消光值与 Gaia DR2 的独立测量结果相比如何？

主要发现

• 四条旋臂的平均距离分别为 d1 = 1.6 ± 0.2 kpc，d2 = 2.6 ± 0.2 kpc，d3 = 3.9 ± 0.3 kpc，d4 = 4.5 ± 0.2 kpc。
• H 波段的平均消光值分别为 AH1 = 0.35 ± 0.08 mag，AH2 = 0.77 ± 0.08 mag，AH3 = 1.68 ± 0.08 mag，AH4 = 2.30 ± 0.08 mag。
• 消光比值 AJ/AH = 1.89 ± 0.11 与 AH/AKs = 1.86 ± 0.11 在所有旋臂中保持一致，表明近红外波段消光律恒定。
• 每条旋臂的消光图具有均匀性，可能代表独立的消光层，且在视线方向上无显著空间变化。
• 第二与第三条旋臂拥有相似的恒星族，包含两个主要的恒星形成爆发：>6 Gyr 前（占恒星质量的 60–70%）与 1.5–4 Gyr 前（占恒星质量的 20–30%）。
• 在年龄 <1 Gyr 的范围内，第三条旋臂检测到一次次要的近期恒星形成事件（约占恒星质量的 10%）。