[论文解读] Kinematics of Antlia 2 and Crater 2 from The Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey (S5)

Alexander P. Ji, S. E. Koposov+16 more|ANU Open Research (Australian National University)|Jun 23, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 17被引用 6

一句话总结

本研究基于S⁵巡天的新光谱数据，揭示了天蝎座2（Antlia 2）中存在明显的速度梯度，以及室女座2（Crater 2）中存在一个暂定的速度梯度，与潮汐剥离一致。结合盖亚EDR3的天体测量数据及大麦哲伦云引起的银河系反冲动量，这些超弥散矮椭圆星系的动力学特征支持其起源于潮汐剥离，尽管更新后的金属丰度表明恒星质量损失极小——这与当前的动力学模型构成挑战。

ABSTRACT

We present new spectroscopic observations of the diffuse Milky Way satellite galaxies Antlia 2 and Crater 2, taken as part of the Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey (S5). The new observations approximately double the number of confirmed member stars in each galaxy and more than double the spatial extent of spectroscopic observations in Antlia 2. A full kinematic analysis, including Gaia EDR3 proper motions, detects a clear velocity gradient in Antlia 2 and a tentative velocity gradient in Crater 2. The velocity gradient magnitudes and directions are consistent with particle stream simulations of tidal disruption. Furthermore, the orbit and kinematics of Antlia 2 require a model that includes the reflex motion of the Milky Way induced by the Large Magellanic Cloud. We also find that Antlia 2's metallicity was previously overestimated, so it lies on the empirical luminosity-metallicity relation and is likely only now experiencing substantial stellar mass loss. Current dynamical models of Antlia 2 require it to have lost over 90% of its stars to tides, in tension with the low stellar mass loss implied by the updated metallicity. Overall, the new kinematic measurements support a tidal disruption scenario for the origin of these large and extended dwarf spheroidal galaxies.

研究动机与目标

• 研究银河系超弥散矮星系天蝎座2与室女座2的动力学特性，以检验潮汐剥离是否为其大尺寸与低密度的成因。
• 解决动力学模型预测的高比例潮汐质量损失与金属丰度推断的低恒星质量损失之间的矛盾。
• 评估大麦哲伦云引起的银河系反冲动量在塑造天蝎座2轨道与动力学中的作用。
• 调和观测到的速度梯度与潮汐剥离的粒子流模拟结果。

提出的方法

• 利用英国-澳大利亚望远镜（AAT）的AAOmega与2dF设备，获取天蝎座2与室女座2成员恒星的新光谱观测数据。
• 将光谱数据与盖亚EDR3的自行数据结合，执行完整的动力学分析，包括因大麦哲伦云引起的银河系运动反冲动量校正。
• 将视线速度的梯度拟合至视线方向，并与主轴方向及自行对齐，以检验潮汐流模型。
• 利用更新后的盖亚EDR3天体测量数据，重新计算天蝎座2的光度与空间参数，使其估计光度显著提高。
• 构建金属丰度分布函数，并与经验性的光度-金属丰度关系进行比较，以重新评估恒星质量损失。
• 利用粒子流模拟检验观测到的动力学梯度是否与潮汐剥离情景相符。

Figure 1: Representative spectra for three random stars in Ant2 (left two columns) and Cra2 (right two columns). The blue and red spectra for a given star are shown separately, with the SNR for each arm indicated on the figure. The top row shows high SNR stars with clear absorption lines. The middle

实验结果

研究问题

• RQ1 天蝎座2与室女座2是否表现出与潮汐剥离一致的动力学特征，例如与主轴方向一致的速度梯度？
• RQ2 银河系因大麦哲伦云引起的反冲动量是否为重现天蝎座2观测轨道与动力学所必需？
• RQ3 天蝎座2更新后的金属丰度是否使其位于经验性的光度-金属丰度关系上，暗示恒星质量损失极小？
• RQ4 当前的动力学模型能否调和观测到的高比例潮汐质量损失与金属丰度推断的低恒星质量损失之间的矛盾？
• RQ5 天蝎座2与室女座2的动力学特征最可能由潮汐剥离解释，还是由其他形成机制解释？

主要发现

• 在天蝎座2中检测到与主轴方向及自行一致的明显速度梯度，强烈支持其起源于潮汐剥离。
• 在室女座2中发现一个暂定的速度梯度，同样与自行方向一致，与潮汐效应一致。
• 天蝎座2的光谱观测空间覆盖范围扩大了一倍以上，显著提升了动力学覆盖度。
• 天蝎座2的金属丰度下调0.2 dex，使其位于经验性的光度-金属丰度关系上，表明恒星质量损失极小。
• 天蝎座2的轨道与动力学特性必须包含因大麦哲伦云引起的银河系反冲动量，才能与模拟结果匹配。
• 当前的动力学模型预测天蝎座2的恒星质量损失超过90%，与其中低质量损失的金属丰度推断存在矛盾。

Figure 2: The on-sky density distribution of color-magnitude, proper motion and parallax selected stars for Ant2 from Gaia EDR3. The red ellipse indicates twice the half-light radius. These stars were used for the spatial model described in Section 3 .