[论文解读] Extended stellar systems in the solar neighborhood - II. Discovery of a nearby 120{\deg} stellar stream in Gaia DR2

Stefan Meingast, J. Alves+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 27被引用 38

一句话总结

本论文利用盖亚DR2数据，在太阳邻域发现了一条邻近的、动力学冷的、同龄的星流，通过六维相空间中的小波分解与DBSCAN聚类方法识别。该星流延伸超过400 pc，速度 dispersion 仅为1.3 km s⁻¹，总质量至少为2000 M⊙，可能起源于被破坏的盘系星团或星协，为银河系质量建模提供了新的探针，其金属量为[Fe/H] = −0.04，年龄约为1 Gyr。

ABSTRACT

We report the discovery of a large, dynamically cold, coeval stellar stream that is currently traversing the immediate solar neighborhood at a distance of only 100 pc. The structure was identified in a wavelet decomposition of the 3D velocity space of all stars within 300 pc to the Sun. Its members form a highly elongated structure with a length of at least 400 pc, while its vertical extent measures only about 50 pc. Stars in the stream are not isotropically distributed but instead form two parallel lanes with individual local overdensities, that may correspond to a remnant core of a tidally disrupted cluster or OB association. Its members follow a very well-defined main sequence in the observational Hertzsprung-Russel diagram and also show a remarkably low 3D velocity dispersion of only 1.3 km s$^{-1}$. These findings strongly suggest a common origin as a single coeval stellar population. An extrapolation of the present-day mass function indicates a total mass of at least 2000 M$_\odot$, making it larger than most currently known clusters or associations in the solar neighborhood. We estimated the stream's age to be around 1 Gyr based on a comparison with a set of isochrones and giant stars in our member selection and find a mean metallicity of $\left[ \mathrm{Fe/H} ight] = -0.04$. This structure may very well represent the Galactic disk counterpart to the prominent stellar streams observed in the Milky Way halo. As such, it constitutes a new valuable probe to constrain the Galaxy's mass distribution.

研究动机与目标

• 利用盖亚DR2的运动学数据，识别并表征太阳邻域中的扩展、动力学冷的星体系统。
• 调查银河系盘中是否存在此前未被探测到的星流，与星系晕星流相区别。
• 确定新发现星流的年龄、质量与金属量，以评估其起源与演化历史。
• 评估此类盘星流在约束银河系质量分布（包括暗物质）方面的潜力。
• 将星流的特性与已知星团（如毕宿星团）及星系晕星流（如Phlegethon）进行比较，以推断其起源与演化状态。

提出的方法

• 对距离太阳300 pc以内的恒星在三维速度空间（vr, vφ, vz）中应用小波分解，以检测约1.5 km s⁻¹尺度上的密度增强。
• 采用5-σ阈值识别小波分量中的显著密度增强，从而分离出此前未知的结构，位于vr = 1.7 km s⁻¹，vφ = 227.7 km s⁻¹，vz = −11.4 km s⁻¹。
• 在六维相空间（r, φ, z, vr, vφ, vz）中执行DBSCAN聚类，参数经标准化处理为零均值与单位方差，设置minPts = 50，ϵ = 0.75。
• 应用空间密度阈值，要求在30 pc内至少有7个邻居，以优化星流成员星样本。
• 构建观测赫罗图（HRD）以验证同龄性，并通过等龄线比较（如1 Gyr PARSEC模型）估算年龄与金属量。
• 通过初始质量函数（IMF）外推估算总质量，基于毕宿星团数据（70%完整度损失）进行完整性修正，得出质量下限约为2000 M⊙。

实验结果

研究问题

• RQ1 新发现的太阳邻域星流在运动学与空间结构上呈现何种特征？
• RQ2 该星流的年龄与金属量为何？与毕宿星团等已知星团相比有何异同？
• RQ3 星流的总质量是多少？其起源与演化历史有何启示？
• RQ4 星流的低速度 dispersion 与清晰的主序带如何支持其共同起源的假设？
• RQ5 与星系晕星流相比，该星流在形态、年龄与金属量方面有何差异？

主要发现

• 星流长度至少延伸400 pc，垂直范围仅约50 pc，呈现两条平行的细带并伴有局部密度增强，暗示可能是潮汐破坏系统残留的核心结构。
• 星流表现出极低的三维速度 dispersion（1.3 km s⁻¹），表明其具有高度的动力学冷态与强烈的运动学一致性。
• 成员星在赫罗图中形成清晰的主序带，证实其为同龄星族，估计年龄约为1 Gyr，比毕宿星团更古老。
• 星流总质量估计下限为2000 M⊙，基于完整性修正后的初始质量函数外推，超过大多数已知的邻近星团。
• 平均金属量为[Fe/H] = −0.04 ± 0.15，显著高于星系晕星流（如Phlegethon，[Fe/H] ≈ −1.5），表明其起源于银河系盘系。
• 星流位于银河系银道面以下约75 pc处，正远离银道面运动，但其垂直速度不足以逃逸至星系晕，表明其仍束缚于银道面盘系。