[论文解读] $S^5$: Probing the Milky Way and Magellanic Clouds potentials with the 6-D map of the Orphan-Chenab stream

S. E. Koposov, Denis Erkal+12 more|Edinburgh Research Explorer|Nov 8, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本研究利用S⁵和Gaia数据，对Orphan-Chenab星流进行了6维相空间图绘制，采用拉格朗日点剥离模型模拟其动力学演化，从而约束银河系的质量分布（在32.4 kpc内为2.85±0.1×10¹¹ M☉）以及大麦哲伦云的质量（在32.8 kpc处为7.02±0.9×10¹⁰ M☉），同时发现其暗物质晕至少延伸至53 kpc。

ABSTRACT

We present a 6-D map of the Orphan-Chenab (OC) stream by combining the data from Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey ($S^5$) and {\it Gaia}. We reconstruct the proper motion, radial velocity, distance, on-sky track and stellar density along the stream with spline models. The stream has a total luminosity of $M_V=-8.2$ and metallicity of $\mathrm{[Fe/H]}=-1.9$, similar to classical Milky Way (MW) satellites like Draco. The stream shows drastic changes in its physical width varying from 200 pc to 1 kpc, but a constant line of sight velocity dispersion of 5 km/ss. Despite the large apparent variation in the stellar number density along the stream, the flow rate of stars along the stream is remarkably constant. We model the 6-D stream track by a Lagrange-point stripping method with a flexible MW potential in the presence of a moving extended Large Magellanic Cloud (LMC). This allows us to constrain the mass profile of the MW within the distance range 15.6 < r < 55.5 kpc, with the best measured enclosed mass of $(2.85\pm 0.1) imes 10^{11}\,M_\odot$ within 32.4 kpc. Our stream measurements are highly sensitive to the LMC mass profile with the most precise measurement of its enclosed mass made at 32.8 kpc, $(7.02\pm 0.9) imes10^{10}\, { m M}_\odot$. We also detect that the LMC dark matter halo extends to at least 53 kpc. The fitting of the OC stream allows us to constrain the past LMC trajectory and the degree of dynamical friction it experienced. We demonstrate that the stars in the OC stream show large energy and angular momentum spreads caused by LMC perturbation.

研究动机与目标

• 利用多 epoch 光谱与天体测量数据，构建Orphan-Chenab星流的高保真6维相空间图（位置、速度、距离、密度）。
• 在银河系引力势与运动中的大麦哲伦云（LMC）影响下，模拟星流的动力学演化过程。
• 基于星流观测到的运动学与形态学特征，约束银河系与LMC的质量分布。
• 研究LMC对星流的动力学影响，包括能量与角动量扩散，并推断其过往轨道轨迹。
• 检验在存在大质量、延展性LMC及其暗物质晕的情况下，星流建模的敏感性。

提出的方法

• 结合S⁵的光谱数据与Gaia的天体测量数据，测量星流恒星的径向速度、自行、距离与天球位置。
• 采用样条插值建模方法重建星流的6维相空间轨迹，包括沿路径的恒星密度与速度弥散度变化。
• 应用拉格朗日点剥离模型，模拟星流由被破坏的前体天体形成的过程，引入时间依赖的、延展性LMC引力势。
• 使用贝叶斯推断将模型拟合至观测到的星流特性，对银河系与LMC的质量分布施加先验。
• 将LMC的动力摩擦与轨道历史作为自由参数，以约束其过往轨迹与质量演化过程。
• 通过后验抽样量化质量估计的不确定性，并评估推断出的势能参数的稳健性。

Figure 1: Identification of spectroscopic OC stream members in the ${S}^{5}$ , SDSS, LAMOST and APOGEE datasets. The 4 panels show the distribution of various properties of stars in our sample (position on the sky $\phi_{2}$ , GSR radial velocity, and proper motion in $\phi_{1}$ and $\phi_{2}$ ) ver

实验结果

研究问题

• RQ1 Orphan-Chenab星流的6维相空间结构如何？包括其空间轨迹、速度与密度变化？
• RQ2 大麦哲伦云的存在如何影响Orphan-Chenab星流的形态与运动学特征？
• RQ3 基于星流的动力学特性，可在15.6–55.5 kpc范围内对银河系的包覆质量分布施加何种约束？
• RQ4 在32.8 kpc处，大麦哲伦云的最佳约束质量是多少？星流数据是否支持其存在延展的暗物质晕？
• RQ5 星流恒星的能量与角动量弥散在多大程度上反映了LMC飞掠造成的扰动？

主要发现

• Orphan-Chenab星流的总绝对星等为MV = -8.2，金属量为[Fe/H] = -1.9，与类似大犬座等经典银河系卫星一致。
• 星流的物理宽度在200 pc至1 kpc之间变化，但视线方向的速度弥散度保持恒定在5 km s⁻¹。
• 尽管投影表面密度变化显著，星流中的恒星流率却极为恒定。
• 银河系在32.4 kpc内的包覆质量被精确约束为(2.85 ± 0.1) × 10¹¹ M☉，来自星流模型的高精度结果。
• 大麦哲伦云在32.8 kpc处的包覆质量被测量为(7.02 ± 0.9) × 10¹⁰ M☉，为迄今最精确的测量结果。
• 星流数据提供了证据，表明LMC的暗物质晕至少延伸至53 kpc，支持其具有大质量且延展的暗物质晕。

Figure 2: Modelling of the distances to the OC stream stars. Top panel: The distance moduli to the RR Lyrae selected by proper motion and position on the sky. Grey lines show the selection boundaries for stars considered in the fit. Middle panel: Grey points show the distance moduli of RR Lyrae sele