[论文解读] Kinematics in galactic tidal tails - A source for Hypervelocity stars?

T. Piffl, M. Williams+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 61被引用 9

一句话总结

本文研究了在银河系晕中观测到的超光速星（HVSs）是否可能源自被破坏的卫星星系的潮汐碎片，而非来自中心超大质量黑洞的抛射。通过N体模拟和解析剥离模型，作者表明，大质量卫星（M > 10⁹ M⊙）可通过潮汐相互作用产生速度很高的逃逸星，但由于动力学和金属丰度不匹配，此类恒星与观测到的HVS群体相符的概率较低。

ABSTRACT

[abridged] In this work we study in detail the kinematics of tidal debris stars to investigate the implications of the new scenario that the observed sample of Hypervelocity stars could partly originate from a dwarf-host galaxy collision. We use a suite of N-body simulations following the encounter of a satellite galaxy with its Milky Way-type host galaxy to gather statistics on the properties of stripped-off stars. We study especially the orbital energy distribution of this population. We quantify the typical pattern in angular and phase space formed by the debris stars. We further develop a simple stripping model predicting the kinematics of stripped-off stars. We show that the distribution of orbital energies in the tidal debris has a typical form which can be described quite accurately by a simple function. Based on this we develop a method to predict the energy distribution which allows us to evaluate the significance and the implications of high velocity stars in satellite tidal debris. Generally tidal collisions of satellite galaxy produce stars which escape into the intragalactic space even if the satellite itself is on a bound orbit. The main parameters determining the maximum energy kick a tidal debris star can get is the initial mass of the satellite and only to a lower extent its orbit. Main contributors to an unbound stellar population created in this way are massive satellites (M_sat > 10^9 M_sun). We thus expect intragalactic stars to have a metallicity higher than the surviving satellite population of the Milky Way. However, the probability that the observed HVS population is significantly contaminated by tidal debris stars appears small in the light of our results.

研究动机与目标

• 评估被破坏的卫星星系的潮汐碎片是否能产生速度与观测到的超光速星（HVSs）相当的恒星。
• 确定在卫星星系与宿主星系相互作用过程中被剥离的恒星的动力学特性——特别是轨道能量分布。
• 评估观测到的HVS群体中存在来自潮汐碎片的恒星而非完全由黑洞抛射机制产生的可能性。
• 开发一个简单的解析模型，以预测无需完整N体模拟的潮汐剥离恒星的能量分布。
• 估算通过潮汐剥离形成的潜在星系际恒星群体的金属丰度和质量分布。

提出的方法

• 开展41组N体模拟，以模拟银河系类宿主对卫星星系的潮汐破坏。
• 分析被剥离恒星的轨道能量分布，以识别相空间和角空间中的特征模式。
• 基于能量冲量估算（公式13）开发一个解析剥离模型，以预测最大抛射速度。
• 使用自相似函数（公式17）拟合被剥离恒星的能量分布，该函数由特征能量和归一化参数化。
• 利用拟合函数计算以未束缚恒星形式被抛射的重子质量比例，该比例取决于卫星质量和初始轨道。
• 将质量抛射函数与观测到的卫星光度函数（Koposov et al. 2008）卷积，以推导累积的HVS质量生成函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 被破坏的卫星星系的潮汐碎片能否产生速度与观测到的超光速星相当的恒星？
• RQ2 在卫星星系与宿主星系相互作用过程中被剥离的恒星，其特征能量分布如何？
• RQ3 卫星的初始质量与轨道参数如何影响最大速度和未束缚恒星的比例？
• RQ4 观测到的HVS群体中，显著混入来自潮汐碎片的恒星而非完全由黑洞抛射机制产生的概率是多少？
• RQ5 通过潮汐剥离形成的星系际恒星群体的预期金属丰度特性是什么？

主要发现

• 从大质量卫星（M > 10⁹ M⊙）中剥离的恒星可达到未束缚速度，最大能量冲量主要由卫星的初始质量决定。
• 潮汐剥离恒星的能量分布遵循自相似形式（公式17），可由两个参数准确描述：特征能量和归一化。
• 只有质量大于10¹¹ M⊙的卫星才能产生速度超过500 km s⁻¹的恒星，且此类高速抛射需依赖极高质量的前身星或未束缚的卫星轨道。
• 绝大多数（95%）潜在星系际恒星群体质量来自M > 10⁹ M⊙的卫星，与宇宙学模拟结果一致。
• 由于更高质量、金属丰度更高的恒星更易被优先抛射，潮汐剥离恒星的平均金属丰度预期高于幸存卫星星族。
• 观测到的HVSs在旅行时间上的聚集性及非各向同性的天球分布难以用潮汐碎片解释，且动力学不匹配使得该来源对HVS样本造成显著污染的可能性较低。