[论文解读] Gaia-DR2 extended kinematical maps. Part I: Method and application

M. López‐Corredoira, Francesco Sylos Labini|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新颖的统计反卷积方法，用于从盖亚-DR2视差误差中恢复三维恒星运动学，将运动学图延伸至银心半径20 kpc——超出以往研究13 kpc的限制——揭示了银河系盘面中显著的非圆周运动、速度梯度以及方位和南北不对称性，尤其在方位和径向分量中表现明显。

ABSTRACT

CONTEXT. The Gaia Collaboration has used Gaia-DR2 sources with six-dimensional (6D) phase space information to derive kinematical maps within 5 kpc of the Sun, which is a reachable range for stars with relative error in distance lower than 20%. AIMS. Here we aim to extend the range of distances by a factor of two to three, thus adding the range of Galactocentric distances between 13 kpc and 20 kpc to the previous maps, with their corresponding error and root mean square values. METHODS. We make use of the whole sample of stars of Gaia-DR2 including radial velocity measurements, which consists in more than seven million sources, and we apply a statistical deconvolution of the parallax errors based on the Lucy's inversion method of the Fredholm integral equations of the first kind, without assuming any prior. RESULTS. The new extended maps provide lots of new and corroborated information about the disk kinematics: significant departures of circularity in the mean orbits with radial Galactocentric velocities between -20 and +20 km/s and vertical velocities between -10 and +10 km/s; variations of the azimuthal velocity with position; asymmetries between the northern and the southern Galactic hemispheres, especially towards the anticenter that includes a larger azimuthal velocity in the south; and others. CONCLUSIONS. These extended kinematical maps can be used to investigate the different dynamical models of our Galaxy, and we will present our own analyses in the forthcoming second part of this paper. At present, it is evident that the Milky Way is far from a simple stationary configuration in rotational equilibrium, but is characterized by streaming motions in all velocity components with conspicuous velocity gradients.

研究动机与目标

• 将盖亚-DR2运动学图的覆盖范围从13 kpc扩展至20 kpc，尽管此时视差误差较大，但信息仍可恢复。
• 通过视差数据的误差反卷积，克服传统方法仅限于距离误差小于20%恒星的局限性。
• 研究外银河盘面的动力学，特别是预期存在翘曲和增厚等特征的区域。
• 提供一种稳健、无先验的统计框架，从噪声较大的视差测量中推断三维速度分布。
• 使未来研究能够以前所未有的距离探测银河系盘面和晕的形态与动力学。

提出的方法

• 对盖亚-DR2视差中的高斯误差分布应用卢西反演方法，求解第一类弗雷德霍姆积分方程，无需假设任何先验分布。
• 利用720万颗具有径向速度的盖亚-DR2恒星完整样本，从观测到的视差分布估计真实距离分布。
• 使用标准运动学变换，将日心坐标和速度转换为银心柱坐标系（R, φ, Z）。
• 通过在银心半径R、方位角φ和高度Z上对恒星进行分箱，计算每箱的平均速度和速度弥散度，构建三维运动学图。
• 在解释方位速度剖面时校正不对称漂移效应，认识到观测到的Vφ并非真实的圆周速度。
• 通过在模拟数据上测试并对比太阳邻域已知的速度结构，验证该方法的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 视差误差反卷积在多大程度上能将盖亚-DR2运动学制图的可用距离范围扩展至标准13 kpc限制之外？
• RQ2 在使用反卷积视差数据时，外银河盘面（R > 13 kpc）中会浮现哪些动力学特征——如流动运动、速度梯度或不对称性？
• RQ3 径向、方位和垂直速度分量在银河盘面中如何变化？是否存在显著的南北半球差异？
• RQ4 在R > 18 kpc区域，方位速度剖面是平坦还是递减？与动力学平衡模型的预期相比如何？
• RQ5 该方法能否在视差误差较大的区域（如反银心方向或外盘增厚区）恢复有意义的动力学结构？

主要发现

• 该方法成功地将运动学图延伸至银心半径20 kpc，与以往研究相比，可用范围扩大了两到三倍。
• 检测到显著的非圆周运动：平均径向速度在-20至+20 km/s之间，垂直速度在-10至+10 km/s之间，表明存在强烈的流动运动。
• 与太阳圈（R ≈ 8 kpc）相比，R = 18 kpc处的方位速度下降约10%，表明外盘存在非平坦的旋转曲线。
• 南北不对称性显著，尤其在反银心方向，南银河南半球观测到更高的方位速度。
• 在所有三个分量中均观测到速度梯度：径向（≈40 km/s）、方位（≈40 km/s）和垂直（≈10 km/s），表明存在强烈的非轴对称动力学。
• 该方法即使在视差误差较大的情况下，也能通过光度函数估计视线方向的恒星密度分布，从而将形态学研究延伸至更远距离。