[论文解读] Gaia-DR2 extended kinematical maps. Part II: Dynamics in the Galactic disk explaining radial and vertical velocities

M. López‐Corredoira, F. Garzón+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 61被引用 9

一句话总结

本研究基于盖亚-DR2的扩展运动学图谱，探究银河系盘面中径向与垂直速度梯度的动力学机制，尤其关注13 kpc以外的区域。通过解析模型与模拟，发现观测到的速度结构——尤其是外盘区域——无法用标准平衡模型解释，而需依赖非平衡动力学，可能源于正在进行的演化或外部扰动（如人马座矮星系的引力影响）。

ABSTRACT

Context: In our Paper I, by using statistical deconvolution methods, extended kinematics maps of Gaia-DR2 data have been produced in a range of heliocentric distances that are a factor of two to three larger than those analyzed previously by the Gaia Collaboration with the same data. It added the range of Galactocentric distances between 13 kpc and 20 kpc to the previous maps. Aims: Here, we investigate the dynamical effects produced by different mechanisms that can explain the radial and vertical components of these extended kinematic maps, including a decomposition of bending and breathing of the vertical components. This paper as a whole tries to be a compendium of different dynamical mechanisms whose predictions can be compared to the kinematic maps. Methods: Using analytical methods or simulations, we are able to predict the main dynamical factors and compare them to the predictions of the extended kinematic maps of Gaia-DR2. Results: The gravitational influence of Galactic components that are different from the disk, such as the long bar or bulge, the spiral arms, or a tidal interaction with Sagittarius dwarf galaxy, may explain some features of the velocity maps, especially in the inner parts of the disk. However, they are not sufficient in explaining the most conspicuous gradients in the outer disk. Vertical motions might be dominated by external perturbations or mergers, although a minor component may be due to a warp whose amplitude evolves with time. Here, we show with two different methods, which analyze the dispersion of velocities, that the mass distribution of the disk is flared. Despite these partial explanations, the main observed features can only be explained in terms of out-of-equilibrium models, which are either due to external perturbers or to the fact that the disk has not had time to reach equilibrium since its formation.

研究动机与目标

• 探究在银河系中心距离超过13 kpc的扩展盖亚-DR2运动学图谱中观测到的径向与垂直速度梯度的动力学起源。
• 评估标准引力组分（如长棒、核球、旋臂或潮汐相互作用）是否能解释观测到的运动学特征。
• 考察盘面展宽（flaring）与非平衡动力学在塑造观测到的速度弥散度与平均运动中的作用。
• 确定观测到的运动学模式是否与平衡模型一致，或是否需要非定常、演化的盘面构型。
• 评估基于Jeans方程的建模在低密度外盘区域的有效性，其中非平衡效应可能导致结果偏差。

提出的方法

• 采用卢西的反卷积方法进行统计去卷积，以扩展盖亚-DR2的视差误差，生成至20 kpc银河系中心距离的运动学图谱。
• 使用解析模型与N体模拟，预测来自各种动力学机制（包括棒、旋臂和潮汐相互作用）的速度模式。
• 将垂直速度分解为相对于银河系中平面的弯曲模（对称）与呼吸模（反对称）。
• 分析速度弥散度剖面以推断盘面展宽，与形态学展宽测量结果进行比较。
• 评估Jeans方程在非平衡系统中的局限性，特别是在低密度外盘区域。
• 提出一类非平衡、自引力且非对称的盘面模型，以解释具有显著垂直运动的非圆轨道。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些动力学机制能够解释盖亚-DR2运动学图谱中13 kpc以外观测到的径向与垂直速度梯度？
• RQ2 银河系棒、核球、旋臂或人马座矮星系的引力影响在多大程度上可解释观测到的运动学特征？
• RQ3 观测到的盘面标高（展宽）增加是否与速度弥散度趋势一致，这是否支持展宽的质量分布？
• RQ4 基于Jeans方程的平衡模型能否充分描述外盘区域，还是非平衡效应占主导地位？
• RQ5 外盘区域观测到的速度梯度是否与仍处于向平衡演化过程中的盘面一致，还是需要外部扰动来解释？

主要发现

• 长棒、核球、旋臂以及与人马座矮星系的潮汐相互作用的引力影响，可解释内盘部分特征，但无法解释外盘最显著的速度梯度。
• 外盘区域的垂直速度运动可能主要由外部扰动或过去的并合事件主导，尽管时间演化中的翘曲也可能贡献少量影响。
• 银河系盘面的质量分布呈展宽特征，这由标高随银河系中心距离增加以及速度弥散度同步增加所指示，与先前的形态学研究一致。
• 基于Jeans方程的建模在外盘低密度区域存在偏差，表明在准确估算质量时必须考虑非平衡动力学。
• 观测到的运动学特征——尤其是外盘区域的大速度梯度与非圆轨道——无法用平衡模型解释，而更支持正在进行的动力学演化。
• 非平衡模型（无论是由于盘形成后尚未完全弛豫，还是持续的外部扰动）为解释数据提供了最一致的框架。