[论文解读] Measuring the Sun's velocity using Gaia EDR3 observations of Stellar Streams

Khyati Malhan, Rodrigo Ibata+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文利用盖亚 EDR3 对 17 个恒星流的观测，通过非旋转参考系中流的自行运动几何对齐特性，测量了太阳相对于银河系晕的运动速度，推断出太阳的反冲动量。结果报告为 V_{R,\odot} = 8.88^{+1.20}_{-1.22} km s^{-1}，V_{\phi,\odot} = 241.91^{+1.61}_{-1.73} km s^{-1}，以及 V_{z,\odot} = 3.08^{+1.06}_{-1.10} km s^{-1}，其中 z 分量与基于 Sgr A* 运动的先前测量结果相比存在微小但显著的偏差。

ABSTRACT

We measure the Sun's velocity with respect to the Galactic halo using Gaia Early Data Release 3 (EDR3) observations of stellar streams. Our method relies on the fact that, in low-mass streams, the proper motion of stars should be directed along the stream structure in a non-rotating rest frame of the Galaxy, but the observed deviation arises due to the Sun's own reflex motion. This principle allows us to implement a simple geometrical procedure, which we use to analyse 17 streams over a $\sim 3-30$ kpc range. Our constraint on the Sun's motion is independent of any Galactic potential model, and it is also uncorrelated with the Sun's galactocentric distance. We infer the Sun's velocity as $V_{R,\odot}=8.88^{+1.20}_{-1.22}\, m{kms^{-1}}$ (radially towards the Galactic centre), $V_{ϕ,\odot}=241.91^{+1.61}_{-1.73}\, m{kms^{-1}}$ (in the direction of Galactic rotation) and $V_{z,\odot}=3.08^{+1.06}_{-1.10}\, m{kms^{-1}}$ (vertically upwards), in global agreement with past measurements through other techniques; although we do note a small but significant difference in the $V_{z,\odot}$ component. Some of these parameters show significant correlation and we provide our MCMC output so it can be used by the reader as an input to future works. The comparison between our Sun's velocity inference and previous results, using other reference frames, indicates that the inner Galaxy is not moving with respect to the inertial frame defined by the halo streams.

研究动机与目标

• 独立于银河系势模型，确定太阳相对于银河系晕的三维速度。
• 通过使用恒星流作为运动学示踪体，避免对轴对称性、稳态动力学或本地标准恒星的假设。
• 利用低质量恒星流的自行运动，提供一种模型无关的、几何性的太阳运动约束。
• 测试不同参考系下太阳速度的一致性，特别是对比基于晕和基于盘的测量结果。
• 为未来动力学建模和暗物质探测研究提供 MCMC 后验样本。

提出的方法

• 利用盖亚 EDR3 的天体测量数据，识别并追踪距离银河系中心 3–30 kpc 范围内 17 个低质量恒星流的自行运动。
• 应用一种几何方法，假设在非旋转的银河系静止参考系中，流星体应沿流的切线方向运动。
• 将偏离该对齐方向的偏差直接视为太阳因相对于晕运动而产生的反冲动量的信号。
• 使用 MCMC 进行基于似然的拟合，推断太阳速度的三个分量：径向（V_{R,\odot}）、旋转方向（V_{\phi,\odot}）和垂直方向（V_{z,\odot}）。
• 仅依赖观测到的流几何结构和自行运动，避免对银河系势或圆周速度的假设。
• 提供完整的 MCMC 后验样本，以支持未来跨研究比较及整合到其他动力学模型中。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳相对于银河系晕的速度是多少，且独立于银河系势模型？
• RQ2 从恒星流推断出的太阳运动三个分量（径向、旋转、垂直）与其它方法的结果相比如何？
• RQ3 基于晕和基于盘/银河系中心的测量中，垂直速度分量（V_{z,\odot}）是否存在显著差异？
• RQ4 根据流的运动学，内银河系是否似乎相对于晕在运动？
• RQ5 恒星流能否提供一种自洽、几何且模型无关的太阳在银河系中运动的测量？

主要发现

• 太阳朝向银河系中心的径向速度测量值为 V_{R,\odot} = 8.88^{+1.20}_{-1.22} km s^{-1}，与先前估计一致。
• 沿银河系旋转方向的旋转速度为 V_{\phi,\odot} = 241.91^{+1.61}_{-1.73} km s^{-1}，与近期高精度测量结果良好吻合。
• 垂直速度分量 V_{z,\odot} = 3.08^{+1.06}_{-1.10} km s^{-1} 显著低于基于 Sgr A* 自行运动推断出的 8.49 ± 0.27 km s^{-1}。
• V_{z,\odot} 的偏差表明内银河系与外银河系之间可能存在差异运动，可能由外部扰动引起。
• 该测量独立于银河系势和太阳的银心距离，减少了动力学建模带来的系统误差。
• 所有三个速度分量的 MCMC 后验样本已公开提供，可供未来银河系动力学和暗物质研究整合使用。