[论文解读] Structural parameters and possible association of the Ultra-Faint Dwarfs Pegasus III and Pisces II from deep Hubble Space Telescope photometry

Hannah Richstein, Ekta Patel+18 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 92被引用 20

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的深度测光，对超晕矮星系 Pegasus III 和 Pisces II 进行了结构参数和质量-光度比的测量。尽管它们的投影分离距离较近（约 40 kpc），但未发现相互作用的形态学证据；然而，结合 Gaia eDR3 的自行数据进行轨道积分，表明约 10–20 kpc 前可能存在一次过去的近距离飞掠，且约 10 亿年前曾集体经过大麦哲伦云附近，暗示可能存在一个引力束缚的关联系统，但需更高精度的自行测量以确认。

ABSTRACT

We present deep Hubble Space Telescope (HST) photometry of the ultra-faint dwarf (UFD) galaxies Pegasus III (Peg III) and Pisces II (Psc II), two of the most distant satellites in the halo of the Milky Way (MW). We measure the structure of both galaxies, derive mass-to-light ratios with newly determined absolute magnitudes, and compare our findings to expectations from UFD-mass simulations. For Peg III, we find an elliptical half-light radius of $a_h=1.88^{+0.42}_{-0.33}$ arcminutes ($118^{+31}_{-30}$ pc) and $M_V{=}{-4.17}^{+0.19}_{-0.22}$; for Psc II, we measure $a_h{=}1.31^{+0.10}_{-0.09}$ arcminutes ($69\pm8$ pc) and $M_V{=}{-4.28}^{+0.19}_{-0.16}$. We do not find any morphological features that indicate a significant interaction between the two has occurred, despite their close separation of only $\sim$40 kpc. Using proper motions (PMs) from Gaia early Data Release 3, we investigate the possibility of any past association by integrating orbits for the two UFDs in a MW-only and a combined MW and Large Magellanic Cloud (LMC) potential. We find that including the gravitational influence of the LMC is crucial, even for these outer-halo satellites, and that a possible orbital history exists where Peg III and Psc II experienced a close ($\sim$10-20 kpc) passage about each other just over $\sim$1 Gyr ago, followed by a collective passage around the LMC ($\sim$30-60 kpc) just under $\sim$1 Gyr ago. Considering the large uncertainties on the PMs and the restrictive priors imposed to derive them, improved PM measurements for Peg III and Psc II will be necessary to clarify their relationship. This would add to the rare findings of confirmed pairs of satellites within the Local Group.

研究动机与目标

• 利用深度 HST 测光，测量超晕矮星系 Pegasus III 和 Pisces II 的结构参数（半光半径、绝对星等）。
• 基于新测定的绝对星等，推导质量-光度比，并评估其与超晕矮星系模拟的一致性。
• 利用 Gaia eDR3 自行数据和在仅银河系（MW-only）及银河系+大麦哲伦云（MW+LMC）引力势场中的轨道积分，研究 Peg III 和 Psc II 的动力学历史。
• 基于其运动学和空间接近性，检验这两个超晕矮星系是否可能为引力束缚双星系统。
• 评估未来自行测量所需达到的精度，以明确判断 Peg III 和 Psc II 是否存在关联。

提出的方法

• 利用 ACS 和 WFC3 获取深度 HST 影像，对 Peg III 和 Psc II 进行高精度测光。
• 采用等密度轮廓映射和恒星密度剖面拟合，测量半光半径和结构参数。
• 利用日心距离和消光修正，计算绝对星等（MV），进而推导质量-光度比。
• 利用 Gaia eDR3 自行数据，在仅银河系和银河系+大麦哲伦云引力势场模型中，将两个超晕矮星系的轨道向后积分。
• 通过蒙特卡洛模拟，评估区分关联与非关联系统的横向速度测量所需精度。
• 对比不同自行测量结果（Li et al. 2021 与 McConnachie & Venn 2020），评估结果的一致性及对输入不确定性的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pegasus III 和 Pisces II 是否表现出表明过去相互作用的形态学特征？
• RQ2 Peg III 和 Psc II 的轨道历史如何？是否存在一次可能的过去近距离飞掠？
• RQ3 将大麦哲伦云的引力势场纳入模型后，对这些外围星系晕超晕矮星系的轨道解有何影响？
• RQ4 为能有把握地判断 Peg III 和 Psc II 是否为束缚双星系统，所需自行测量的精度水平是多少？
• RQ5 Peg III 和 Psc II 观测到的运动学与空间特性是否与超晕矮星系质量模拟的预测一致？

主要发现

• Pegasus III 的半光半径为 1.′88+0.42−0.33（118+31−30 pc），绝对星等 MV = −4.17+0.19−0.22。
• Pisces II 的半光半径为 1.′31+0.10−0.09（69 ± 8 pc），绝对星等 MV = −4.28+0.19−0.16。
• 尽管投影分离距离约为 40 kpc，但未发现 Pegasus III 和 Pisces II 之间存在显著相互作用的形态学特征。
• 在包含 LMC 的轨道积分中，发现约 10–20 kpc 前，两超晕矮星系可能曾发生一次过去的近距离飞掠，随后约 10 亿年前集体经过大麦哲伦云附近（约 30–60 kpc）。
• 若未来自行测量精度达到约 50 km s−1，且结合较小的视线速度差异，偶然关联的概率较低（4.7%）。
• 若两超晕矮星系的速度差小于约 50 km s−1，则有约 95% 的置信度表明其为引力束缚系统，但需借助 HST 或未来 Gaia 发布数据提升自行测量精度。