[论文解读] Making Counter-Orbiting Tidal Debris: The Origin of the Milky Way Disc of Satellites

Marcel S. Pawlowski, Pavel Kroupa+1 more|Jun 14, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用 42

一句话总结

本文提出，银河系卫星盘，包括逆行轨道的 Sculptor 矮星系，起源于早期一次与原初星系（很可能是大麦哲伦云）的单次飞掠或并合事件所产生的潮汐碎片——由于动力学相互作用，此类事件自然产生顺行和逆行潮汐碎片。该模型解释了卫星的各向异性分布和轨道极点，其中逆行物质最先形成，且与观测到的动力学特征和金属丰度差异一致。

ABSTRACT

Using stellar-dynamical calculations it is shown for the first time that counter-orbiting material emerges naturally in tidal interactions of disc galaxies. Model particles on both pro- and retrograde orbits can be formed as tidal debris in single encounters with disc galaxies of 1-to-1 and 4-to-1 mass ratios. A total of 74 model calculations are performed for a range of different initial parameters. Interactions include fly-by and merger cases. The fraction of counter-orbiting material produced varies over a wide range (from a few up to 50 percent). All fly-by models show a similar two-phase behaviour, with retrograde material forming first. Properties of the prograde and retrograde populations are extracted to make an observational discrimination possible. During such encounters the tidal debris occupies a certain region in phase space. In this material, tidal-dwarf galaxies may form. The modelling therefore can explain why galaxies may have dwarf galaxies orbiting counter to the bulk of their dwarf galaxies. An example is the Sculptor dwarf of the Milky Way, which orbits counter to the bulk of the disc of satellites. The modelling thus supports the scenario of the MW satellites being ancient tidal-dwarf galaxies formed from gaseous material stripped from another galaxy during an encounter with the young MW. A possible candidate for this galaxy is identified as the Magellanic Cloud progenitor galaxy. Its angular motion fits the angular motion of the MW disc of satellites objects. This scenario is in agreement with Lynden-Bell's original suggestion for the origin of the dSph satellites and the near-unbound orbit of the LMC.

研究动机与目标

• 解释银河系各向异性卫星盘（包括逆行轨道的 Sculptor 矮星系）的起源。
• 解决标准冷暗物质宇宙学对卫星动力学预测与实际观测之间的差异。
• 检验潮汐相互作用是否能自然产生具有观测到的轨道特征的顺行和逆行碎片群体。
• 约束形成卫星系统的早期相互作用的初始条件，包括相对速度和撞击参数。
• 评估潮汐矮星系作为经典 dSph 卫星起源的可行性，挑战分层吸积范式。

提出的方法

• 对质量比为 1:1 和 4:1 的盘状星系飞掠进行 74 次 N体恒星动力学模拟，参数变化多样。
• 模拟飞掠与并合两种情形，以评估逆行潮汐碎片的形成。
• 追踪模拟粒子的轨道演化，根据角动量方向将其分类为顺行或逆行。
• 测量初始相对速度和近心点距离下，处于逆行轨道的粒子比例。
• 分析碎片的相空间分布，识别可能形成潮汐矮星系的区域。
• 将模拟的顺行与逆行碎片中的金属丰度梯度与观测到的卫星 [Fe/H] 差异进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系盘之间的潮汐相互作用是否能自然产生具有观测轨道特征的顺行和逆行碎片群体？
• RQ2 哪些初始条件（如相对速度、撞击参数）可产生碎片系统，其中逆行物质比例与银河系卫星系统一致？
• RQ3 模拟碎片的轨道极点和远星点与银河系卫星星系的观测分布如何比较？
• RQ4 Sculptor 矮星系的逆行轨道特性是否可由与大麦哲伦云原初星系的单次潮汐相互作用解释？
• RQ5 观测到的顺行与逆行碎片之间的金属丰度差异对卫星系统的起源与演化有何约束？

主要发现

• 在盘状星系之间的飞掠与并合事件中，逆行潮汐碎片自然形成，且在飞掠情形下，逆行物质最先形成。
• 逆行粒子的比例从百分之几到 50% 不等，取决于初始相对速度和撞击参数，速度越高，逆行碎片产生越多。
• 顺行粒子起源于被撞击星系盘的稍靠内区域，导致顺行与逆行碎片在 [Fe/H] 上预测存在约 0.1 dex 的金属丰度差异。
• 顺行粒子的远星点通常大于逆行粒子，部分顺行粒子可延伸至超过 60 kpc。
• 与大麦哲伦云原初星系的飞掠事件与观测到的低比例逆行物质及 Sculptor 的轨道参数（包括较低的远星点和金属丰度）一致。
• 初始相对速度较低的并合情景无法产生远星点足够高的碎片，因此排除此类事件作为当前卫星系统起源的可能性。