[论文解读] Pattern speeds in the Milky Way

Ortwin Gerhard|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2010

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文综述了多种测定银河系旋臂和棒状结构图案速度的方法，发现棒状结构旋转迅速，图案速度为50–60 km s⁻¹ kpc⁻¹，共振半径位于3.5–4.5 kpc；而旋臂旋转较慢，图案速度为17–28 km s⁻¹ kpc⁻¹，共振半径略大于太阳轨道。结果表明棒状结构与旋臂在动力学上相互解耦。

ABSTRACT

A brief review is given of different methods used to determine the pattern speeds of the Galactic bar and spiral arms. The Galactic bar rotates rapidly, with corotation about halfway between the Galactic center and the Sun, and outer Lindblad resonance not far from the solar orbit, R0. The Galactic spiral arms currently rotate with a distinctly slower pattern speed, such that corotation is just outside R0. Both structures therefore seem dynamically decoupled.

研究动机与目标

• 综合比较多种独立方法以测量银河系棒状结构和旋臂的图案速度。
• 解决不同观测与建模技术所得图案速度估计值之间的差异。
• 基于图案速度约束，确定棒状结构与旋臂在动力学上是否耦合。
• 评估棒状结构与旋臂对太阳附近局部恒星速度分布的影响。
• 利用多种数据源（包括运动学、气体动力学和恒星流）提供一致且综合的图案速度估计。

提出的方法

• 通过应用修正的Tremaine-Weinberg连续性论证，基于250颗OH/IR恒星样本，利用其相对于本地标准运动的速度差异测量棒状结构的图案速度。
• 利用气体流动的流体动力学模拟，匹配观测到的CO和HI $l$-$v$图谱，通过拟合旋臂切线和云体位置来约束图案速度。
• 利用快速棒状结构的 $R_{\rm CR}/R_{\rm B} = 1.2 \pm 0.2$ 关系，从棒状结构的共振半径估算其图案速度。
• 通过反向积分测试粒子轨道，建模太阳邻域的恒星速度分布函数（VDF），以识别棒状结构外 Lindblad 共振（OLR）附近的共振结构。
• 通过拟合OB星和造父变星的速度数据，包括太阳运动和Oort常数，来约束旋臂图案速度。
• 利用模拟分析盘面在双臂旋涡图案下的自洽响应，检验其与观测到的切线点和气体特征的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过演化恒星的直接运动学测量，银河系棒状结构的图案速度是多少？
• RQ2 基于观测到的 $l$-$v$图谱，气体动力学的流体动力学模拟在多大程度上约束了棒状结构的图案速度？
• RQ3 基于年轻恒星示踪和速度场分析，银河系旋臂的图案速度是多少？
• RQ4 棒状结构在多大程度上影响太阳邻域的局部恒星速度分布？
• RQ5 棒状结构与旋臂图案在动力学上是否耦合，还是各自独立旋转？

主要发现

• 基于OH/IR恒星的直接运动学测量，假设 $u_{\rm LSR} \approx 0$，棒状结构的图案速度被约束为 $\Omega_{\rm b} = 59 \pm 5 \pm 10$ km s⁻¹ kpc⁻¹。
• 气体流动的流体动力学模型给出一致的估计值 $\Omega_{\rm b} = 52 \pm 10$ km s⁻¹ kpc⁻¹，对应于标准 $R_0 = 8$ kpc 和 $V_0 = 220$ km s⁻¹ 时，共振半径为 $R_{\rm CR} = 3.5{-}5.0$ kpc。
• 太阳附近恒星速度分布建模支持棒状结构图案速度为 $\Omega_{\rm b} = 51.5 \pm 1.5$ km s⁻¹ kpc⁻¹，与太阳轨道附近的外 Lindblad 共振（OLR）一致。
• 旋臂图案速度显著较慢，基于疏散星团形成位置分析和年轻恒星运动学，得出 $\Omega_{\rm sp} \simeq 25 \pm 2$ km s⁻¹ kpc⁻¹，共振半径略大于太阳轨道。
• Cepheids和OB星的运动学建模给出更宽范围的 $\Omega_{\rm sp} \simeq 17{-}28$ km s⁻¹ kpc⁻¹，与更长的动力学 timescale 一致。
• 棒状结构与旋臂在动力学上相互解耦，因为棒状结构旋转迅速，共振半径位于 $\sim$3.5–4.5 kpc，而旋臂的共振半径仅略大于 $R_0$。