[论文解读] Gaia DR2 Proper Motions of Dwarf Galaxies within 420 kpc: Orbits, Milky Way Mass, Tidal Influences, Planar Alignments, and Group Infall

T. K. Fritz, G. Battaglia+6 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 130被引用 95

一句话总结

本工作基于 Gaia DR2 和光谱成员身份，为 39 个银河系矮星系推导系统性自行运动，计算它们在两个银河系晕质量模型中的三维速度与轨道，并讨论对银河系质量、潮汐效应、平面对齐以及群体内聚落落下的影响。

ABSTRACT

A proper understanding of the Milky Way (MW) dwarf galaxies in a cosmological context requires knowledge of their 3D velocities and orbits. However, proper motion (PM) measurements have generally been of limited accuracy and available only for more massive dwarfs. We therefore present a new study of the kinematics of the MW dwarf galaxies. We use the Gaia DR2 for those dwarfs that have been spectroscopically observed in the literature. We derive systemic PMs for 39 galaxies and galaxy candidates out to 420 kpc, and generally find good consistency for the subset with measurements available from other studies. We derive the implied Galactocentric velocities, and calculate orbits in canonical MW halo potentials of "low" ($0.8 imes 10^{12} M_\odot$) and "high" mass ($1.6 imes 10^{12} M_\odot$). Comparison of the distributions of orbital apocenters and 3D velocities to the halo virial radius and escape velocity, respectively, suggests that the satellite kinematics are best explained in the high-mass halo. Tuc III, Crater II, and additional candidates have orbital pericenters small enough to imply significant tidal influences. Relevant to the missing satellite problem, the fact that fewer galaxies are observed to be near apocenter than near pericenter implies that there must be a population of distant dwarf galaxies yet to be discovered. Of the 39 dwarfs: 12 have orbital poles that do not align with the MW plane of satellites (given reasonable assumptions about its intrinsic thickness); 10 have insufficient PM accuracy to establish whether they align; and 17 satellites align, of which 11 are co-orbiting and (somewhat surprisingly, in view of prior knowledge) 6 are counter-orbiting. Group infall might have contributed to this, but no definitive association is found for the members of the Crater-Leo group.

研究动机与目标

• 使用 Gaia DR2 和光谱数据对大样本银河系矮星系的系统性自行运动进行定量估计。
• 在不同的银河系晕质量假设下推导其 Galactocentric 速度与轨道性质。
• 评估潮汐影响、平面对齐的发生率，以及卫星的潜在群体落下情形。

提出的方法

• 使用带有 40% 成员概率门槛的光谱数据来筛选可能成员。
• 将光谱成员与 Gaia DR2 进行交叉匹配，并对视差和自行运动在与建模逃逸速度一致性方面进行检查。
• 对误差加权平均自行运动，并将系统误差分量加入总不确定性。
• 将自行运动转换为日心再转换为Galactocentric 速度；进行蒙特卡罗模拟（前向与后向）以估计导出量的不确定性。
• 在 Milky Way 潜在模型（MWPotential14）中用两种晕质量（0.8 与 1.6 x 10^12 Msun）进行轨道积分，使用 galpy 获得轨道参数（近距离、远地点、偏心率）。
• 将结果与独立测量进行比较，并讨论对 MW 质量、潮汐效应和“缺失卫星”问题的意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 Gaia DR2 对 420 kpc 内银河系矮星系的系统性自行运动在光谱成员确认下的测量结果为何？
• RQ2 在不同的 MW 暗物质晕质量假设（低质量与高质量）下，这些卫星的 Galactocentric 速度和轨道性质为何？
• RQ3 轨道分布与极点是否支持平面卫星结构，还是更倾向于各向同性分布？
• RQ4 卫星中是否有显著的潮汐影响或近群体落下的迹象？
• RQ5 这些结果如何为缺失卫星问题以及远距离卫星尚待发现的存在提供信息？

主要发现

• 在 420 kpc 范围内为 39 个矮星系及候选体推导系统性自行运动，与经典矮星在其他研究的一致性总体良好。
• 在高质量的 MW 暗物质晕（1.6 x 10^12 Msun）下，卫星的速度分布与远点近于银河系的有界轨道预期更为一致，相较于低质量晕。
• Tuc III、Crater II 等候选体的近（pericenter）距离足够小，可能存在显著的潮汐影响。
• 相比于近地点，远地点的卫星观测数量较少，暗示还有尚待发现的远距离矮星系，与缺失卫星问题相关。
• 在这 39 个矮星系中，有 12 个的轨道极点与MW 平面卫星结构不对齐，10 个的自行运动精度不足以评估对齐，另有 17 个对齐（其中 11 个共轨道、6 个反轨道）。
• 群体落下可能对观测到的对齐有贡献，尽管就 Crater-Leo 成员尚未发现明确的关联性。