[论文解读] Proper Motions of the LMC and SMC: Reanalysis of Hubble Space Telescope Data

Slawomir Piatek, C. Pryor+1 more|ArXiv.org|Dec 11, 2007

Geophysics and Gravity Measurements被引用 3

一句话总结

本文重新分析哈勃空间望远镜数据，以更精确地测定大麦哲伦云和小麦哲伦云的自行运动，校正了与恒星亮度及探测器效率相关的系统误差。研究确认了大麦哲伦云质心自行运动，精度更高，并首次利用自行数据检测到大麦哲伦云存在清晰的顺时针旋转，其在275角分半径处的旋转速度幅度为120 ± 15 km s⁻¹。

ABSTRACT

Kallivayalil et al. have used the extit{Hubble Space Telescope} to measure proper motions of the LMC and SMC using images in 21 and five fields, respectively, all centered on known QSOs. These results are more precise than previous measurements, but have surprising and important physical implications: for example, the LMC and SMC may be approaching the Milky Way for the first time; they might not have been in a binary system; and the origin of the Magellanic Stream needs to be re-examined. Motivated by these implications, we have reanalyzed the original data in order to check the validity of these measurements. Our work has produced a proper motion for the LMC that is in excellent agreement with that of Kallivayalil et al., and for the SMC that is in acceptable agreement. We have detected a dependence between the brightness of stars and their mean measured motion in a majority of the fields in both our reduction and that of Kallivayalil et al. Correcting for this systematic error and for the errors caused by the decreasing charge transfer efficiency of the detector produces better agreement between the measurements from different fields. With our improved reduction, we do not need to exclude any fields from the final averages and, for the first time using proper motions, we are able to detect the rotation of the LMC. The best-fit amplitude of the rotation curve at a radius of 275 arcmin in the disk plane is $120 \pm 15$ km s$^{-1}$. This value is larger than the 60--70 km s$^{-1}$ derived from the radial velocities of HI and carbon stars, but in agreement with the value of 107 km s$^{-1}$ derived from the radial velocities of red supergiants.

研究动机与目标

• 重新评估哈勃空间望远镜对大麦哲伦云和小麦哲伦云自行运动的测量结果，以更高精度检验先前结果的有效性。
• 识别并校正原始分析中的系统误差，特别是与恒星信噪比相关的趋势以及HRC探测器电荷转移效率随时间下降的问题。
• 确定大麦哲伦云是否能通过自行数据检测到内部旋转，这一特征此前尚未通过该方法探测到。
• 提高各场内测量的一致性，使所有场均可用于最终平均自行测量，无需剔除。
• 提供更精确、不确定性更小的大麦哲伦云和小麦哲伦云质心自行运动值。

提出的方法

• 使用改进的天体测量处理流程，重新处理来自21个大麦哲伦云和5个小麦哲伦云场的档案HST/ACS-HRC图像，以相对于背景类星体测量恒星的相对自行运动。
• 识别并校正了在大多数场中测量自行与恒星亮度（信噪比）之间的系统趋势，若不校正，该趋势将导致结果偏差。
• 对HRC CCD电荷转移效率随时间下降的影响应用了校正，该影响会随时间改变测光和天体测量结果。
• 采用基于模型的方法，假设旋转速度在275角分内线性上升，之后保持平坦，从而从自行矢量估计旋转速度。
• 通过加权平均法合并各场测量结果，将所有场视为独立样本，该方法在修正后显著提升了场内一致性。
• 通过与Kallivayalil等人（2006年）的结果比较，并评估各场之间的离散度与一致性，验证了结果的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于哈勃空间望远镜的自行测量中，与恒星亮度相关的系统趋势是否会影响大麦哲伦云和小麦哲伦云自行估计的可靠性？
• RQ2 HRC探测器电荷转移效率的下降是否会在天体测量解中引入可测量的偏差？这些偏差是否可被校正？
• RQ3 大麦哲伦云的内部旋转是否能在自行数据中被探测到？在275角分半径处其旋转幅度是多少？
• RQ4 场内测量一致性提升后，是否可将所有场纳入最终平均自行测量而不予剔除？
• RQ5 更新后的大麦哲伦云和小麦哲伦云自行值与先前测量结果相比如何？这对它们轨道动力学有何影响？

主要发现

• 重新分析确认了大麦哲伦云质心自行运动为(μα, μδ) = (195.6 ± 3.6, 43.5 ± 3.6) mas century⁻¹，与Kallivayalil等人结果高度一致，但精度更高。
• 小麦哲伦云质心自行运动测量为(75.4 ± 6.1, -125.2 ± 5.8) mas century⁻¹，不确定性比Kallivayalil等人结果小2.5倍，得益于场内一致性显著提升。
• 在大多数场中检测到测量自行与恒星信噪比之间的系统趋势，经校正后，各场间的一致性显著改善。
• 校正后，无需剔除任何场即可纳入最终平均值，从而获得更稳健、更精确的平均结果。
• 首次利用自行数据探测到大麦哲伦云存在顺时针旋转，其在275角分半径处的最佳拟合旋转幅度为120 ± 15 km s⁻¹（位于盘面平面）。
• 测得的大麦哲伦云旋转幅度大于HI和碳星径向速度测量结果（60–70 km s⁻¹），但与红超巨星径向速度测量值107 km s⁻¹一致。