[论文解读] Gas Streams and Spiral Structure in the Milky Way

P. Englmaier|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2000

Astro and Planetary Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种非轴对称的、冻结质量的银河系模型，通过星系中心棒状结构及其在棒的短轴方向上额外的质量聚集，共同解释了观测到的气体动力学和旋涡结构。该模型通过模拟棒和去投影的恒星结构引力作用下的气体流动，重现了四旋臂的宏大设计旋涡图案，包括3-kpc旋臂，成功匹配了银心区域的终止速度曲线和禁线速度特征。

ABSTRACT

The observed gas dynamics in the Milky Way can only be explained by a bar in the galactic center. Such a bar is directly visible in the near-IR maps of the bulge, where it causes a distinctive asymmetric light distribution pattern. Another large-scale structure is the grand-design 4-arm spiral pattern, most clearly observed in the spatial distribution of molecular gas and HII-regions. In order to model the observed gas flow structure, we constructed a model for the stellar mass distribution. For the inner 5 $\kpc$ we used the 3D deprojected near-IR light distribution, as observed by the COBE/DIRBE experiment, and added an analytical disk model outside the box as well as a halo model. With this frozen mass distribution, we computed the stationary gas flow for various deprojection parameters and pattern speeds. For all reasonable parameter choices, we obtain a 4-armed spiral pattern, which can be matched to the observed spiral arms. In the bar region, our model can explain the non-circular motion visible in the terminal velocity curve as well as part of the forbidden velocities. Inside the corotation, we also find 4 spiral arms, the nearest arm corresponds to the 3-kpc-arm, although only qualitatively. The missing southern 3-kpc-arm at the far end of the galaxy is explained by running parallel to another arm. Close to the center, we find gas on circular orbits forming a disk. Such a disk has been observed in emission of the CS molecule, however only part of the disk appears to be occupied by dense enough gas to be traced by CS. Further we compare our model to the distribution of OH/IR stars in the inner galaxy.

研究动机与目标

• 解释银心区域观测到的非圆周气体运动，特别是约0.5 kpc处旋转曲线的显著峰值。
• 通过非轴对称质量分布，解释分子气体和电离氢区中3-kpc旋臂及其他旋涡特征的存在。
• 通过构建一致的稳定气体流动模型，调和近红外银心的测光观测与气体动力学数据。
• 探究3-kpc旋臂及其他旋臂是否由棒结构和附加结构特征驱动，而非独立的旋涡模态。
• 约束棒结构与旋臂在塑造银心区域气体分布与运动学中的作用。

提出的方法

• 利用COBE/DIRBE的去投影近红外光，构建了三维恒星质量分布，包含轴比为1:0.33:0.22、倾角约20°的三轴棒结构。
• 在5 kpc以外扩展了分析性盘状成分，并引入晕成分以匹配总质量预算和旋转曲线。
• 针对不同的去投影参数和图案速度，计算了在冻结引力势场下气体的稳定流动。
• 在棒的短轴方向约4 kpc处引入额外的质量聚集，以模拟被错误去投影的恒星旋涡臂。
• 通过流体动力学模拟，在棒和旋涡扰动的影响下追踪气体动力学，重点关注终止速度曲线和禁线速度区域。
• 将模型与分子气体、电离氢区以及CS发射核盘的观测分布进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的银心区域非圆周运动，特别是约0.5 kpc处旋转曲线的显著峰值，是否可由棒诱导的势场解释，而非轴对称模型？
• RQ2 尽管该特征当前无恒星形成，四旋臂宏大设计旋涡特征（尤其是3-kpc旋臂）在气体分布中如何形成？
• RQ3 在分子环（4–7 kpc）区域，旋涡结构在多大程度上可由棒和短轴方向质量聚集的引力扰动重现？
• RQ4 3-kpc旋臂是稳定、长寿命的结构，还是瞬态的？其形态与气体和恒星的轨道动力学有何关联？
• RQ5 观测到的气体运动学与空间分布是否可由一个包含棒和附加结构特征的单一非轴对称质量模型一致解释？

主要发现

• 该模型成功重现了在分子气体和电离氢区中观测到的四旋臂宏大设计旋涡图案，尤其在4至7 kpc的分子环区域。
• 3-kpc旋臂在定性上可解释为棒强迫的结果，气体处于非圆周、拉长的轨道上，可能动力学较热且无恒星形成，与缺乏电离氢区的现象一致。
• 棒结构与短轴方向质量聚集共同在气体中产生稳定的四旋臂旋涡图案，与银心区域观测到的旋涡结构相匹配。
• 该模型将约0.5 kpc处的终止速度曲线峰值解释为棒驱动的非圆周运动所致，解决了轴对称模型中的不一致问题。
• 在中心约200 pc区域内形成了核气体盘，与CS发射观测一致，尽管由于密度阈值限制，仅部分被追踪。
• 该模型表明，OH/IR星并非直接标记3-kpc旋臂，但可能与内奥伯特共振附近的闭合轨道相关，可能与棒端触发的恒星形成有关。