[论文解读] The Pattern Speed of the Milky Way Bar/Bulge from VIRAC & Gaia

Jonathan P. Clarke, Ortwin Gerhard|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究利用来自VIRAC-Gaia（gVIRAC）数据的距离分辨自行运动测量了银河系旋臂图案速度，将其与一组定制匹配（M2M）动力学模型进行比较。结果得到Ωb = 33.29 ± 1.81 km s⁻¹ kpc⁻¹，支持“长-慢”旋臂模型，并与近期太阳邻域的运动学测量结果一致。

ABSTRACT

We compare distance resolved, absolute proper motions in the Milky Way bar/bulge region to a grid of made-to-measure dynamical models with well defined pattern speeds. The data are obtained by combining the relative VVV Infrared Astrometric Catalog v1 proper motions with the Gaia DR2 absolute reference frame. We undertake a comprehensive analysis of the various errors in our comparison, from both the data and the models, and allow for additional, unknown, contributions by using an outlier-tolerant likelihood function to evaluate the best fitting model. We quantify systematic effects such as the region of data included in the comparison, the possible overlap from spiral arms, and the choice of synthetic luminosity function and bar angle used to predict the data from the models. Resulting variations in the best-fit parameters are included in their final errors. We thus measure the bar pattern speed to be ${\Omega}_b=33.29\pm1.81 \mathrm{km \, s^{-1} \, kpc^{-1}}$ and the azimuthal solar velocity to be $V_{\phi,\,\odot} = 251.31 \pm 1.95 \mathrm{km \, s^{-1}}$. These values, when combined with recent measurements of the Galactic rotation curve, yield the distance of corotation, 6.5 < $R_{CR}$ [kpc] < 7.5, the outer Lindblad resonance (OLR), 10.7 < $R_{OLR}$ [kpc] < 12.4, and the higher order, m = 4, OLR, 8.7 < $R_{{OLR}_4}$ [kpc] < 10.0. The measured pattern speed provides strong evidence for the "long-slow" bar scenario.

研究动机与目标

• 利用银心旋臂/核球区域的高精度、距离分辨自行运动测量，测定银河系旋臂图案速度（Ωb）。
• 评估数据处理、模型假设以及旋臂角度和光度函数等结构参数带来的系统性不确定度。
• 检验图案速度测量对数据选择、旋臂污染和模型假设变化的鲁棒性。
• 提供一个自洽的动力学约束，以确定旋臂特性，并与太阳邻域独立测量结果保持一致。

提出的方法

• 将VVV红外天体测量星表（VIRACv1）的相对自行运动与Gaia DR2的绝对参考框架结合，获得具有距离分辨率的绝对自行运动。
• 使用一组基于P17模型校准的、具有明确定义图案速度的定制匹配（M2M）动力学模型，该模型基于恒星计数和视线速度数据。
• 应用对异常值具有容忍能力的似然函数，以稳健地比较观测到的gVIRAC运动学与模型预测，最大限度减少测量异常值带来的偏差。
• 量化由星等依赖的自行误差、红巨星分支（RC&B）选择、光度函数选择以及旋臂角度不确定性带来的系统误差。
• 利用边际后验概率分布推导最终参数估计值，系统误差以平方和开方方式合并。
• 将测得的Ωb与近期旋转曲线数据结合，推断外 corotation 和 Lindblad 共振半径。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于内旋臂/核球区域的运动学数据，银河系旋臂图案速度（Ωb）的精确值是多少？
• RQ2 系统效应（如旋臂角度、光度函数选择和旋臂污染）如何影响测得的图案速度？
• RQ3 测得的图案速度是否支持“长-慢”旋臂模型，而非快速或短旋臂？
• RQ4 对应的外 corotation 和 Lindblad 共振半径是多少？它们如何与赫丘利斯流等其他运动学特征相一致？
• RQ5 gVIRAC数据能否独立验证近期基于太阳邻域运动学得出的图案速度估计？

主要发现

• 旋臂图案速度测量结果为Ωb = 33.29 ± 1.81 km s⁻¹ kpc⁻¹，系统误差已完全考虑在内。
• 太阳方位速度确定为𝑉𝜙,⊙ = 251.31 ± 1.95 km s⁻¹，与近期太阳邻域测量结果一致。
• 外 corotation 半径估计为6.5 < 𝑅CR [kpc] < 7.5，外 Lindblad 共振半径（OLR）为10.7 < 𝑅OLR [kpc] < 12.4。
• 高阶𝑚=4的外Lindblad共振半径位于8.7 < 𝑅OLR4 [kpc] < 10.0，提示其可能与太阳邻域复杂速度结构存在关联。
• 测得的Ωb值强烈支持“长-慢”旋臂模型，与近期利用赫丘利斯流运动学研究的结果一致。
• 尽管P17模型未针对gVIRAC数据进行拟合，模型与数据的比较在基准情况下仍达到小于9 km s⁻¹的均方根精度。