[论文解读] The survey of Planetary Nebulae in Andromeda (M31) II. Age-velocity dispersion relation in the disc from Planetary Nebulae

Souradeep Bhattacharya, M. Arnaboldi+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 47被引用 9

一句话总结

本研究利用仙女座星系（M31）中的行星状星云（PNe）测量银盘的动力学年龄-速度 dispersion 关系（AVR），发现在 R_GC = 17–20 kpc 处，年龄为 4.5 Gyr 的 PNe 速度 dispersion 显著高于年龄为 2.5 Gyr 的 PNe（分别为 101 ± 13 km s⁻¹ 和 61 ± 14 km s⁻¹）。该 AVR 表明约 2.5–4.5 Gyr 前发生了一次单次主要并合事件，质量比约为 1:5，与 M31 近期的恒星形成爆发及星系晕子结构一致。

ABSTRACT

The age-velocity dispersion relation is an important tool to understand the evolution of the disc of the Andromeda galaxy (M31) in comparison with the Milky Way. We use Planetary Nebulae (PNe) to obtain the age-velocity dispersion relation in different radial bins of the M31 disc. We separate the observed PNe sample based on their extinction values into two distinct age populations. The observed velocities of our high- and low-extinction PNe, which correspond to higher and lower mass progenitors respectively, are fitted in de-projected elliptical bins to obtain their rotational velocities, $V_ϕ$, and corresponding dispersions, $ mσ_ϕ$. We assign ages to the two PNe populations by comparing central-star properties of an archival sub-sample of PNe, having models fitted to their observed spectral features, to stellar evolution tracks. For the high- and low-extinction PNe, we find ages of $\sim2.5$ Gyr and $\sim4.5$ Gyr respectively, with distinct kinematics beyond a deprojected radius R$ m_{GC}= 14$ kpc. At R$ m_{GC}$=17--20 kpc, which is the equivalent distance in disc scale lengths of the Sun in the Milky Way disc, we obtain $ mσ_{ϕ,~2.5~Gyr}= 61\pm 14$ km s$^{-1}$ and $ mσ_{ϕ,~4.5~Gyr}= 101\pm 13$ km s$^{-1}$. The age-velocity dispersion relation for the M31 disc is obtained in two radial bins, R$ m_{GC}$=14--17 and 17--20 kpc. The high- and low-extinction PNe are associated with the young thin and old thicker disc of M31 respectively, whose velocity dispersion values increase with age. These values are almost twice and thrice that of the Milky Way disc stellar population of corresponding ages. From comparison with simulations of merging galaxies, we find that the age-velocity dispersion relation in the M31 disc measured using PNe is indicative of a single major merger that occurred 2.5 -- 4.5 Gyr ago with an estimated merger mass ratio $\approx$ 1:5.

研究动机与目标

• 通过使用行星状星云（PNe）测量年龄-速度 dispersion 关系（AVR），理解 M31 银盘的动力学演化。
• 基于消光效应对 PNe 进行运动学分离，以区分 M31 中年轻的薄银盘与古老的厚银盘群体。
• 通过将观测到的 AVR 与星系并合的流体动力学模拟进行比较，推断 M31 的并合历史。
• 检验 PNe 的观测运动学是否能约束 M31 过去一次主要并合事件的时间与质量比。

提出的方法

• 将 PNe 分为高消光与低消光群体，其中高消光 PNe 与更高质量的前身星相关，年龄较年轻（约 2.5 Gyr），而低消光 PNe 与更低质量的前身星相关，年龄较老（约 4.5 Gyr）。
• 在去投影的椭圆形区域中测量径向速度与旋转速度（$V_{\phi}$），以推导各年龄组的方位速度 dispersion（$\sigma_{\phi}$）。
• 通过将 PNe 子样本的中心星特性与恒星演化轨迹对比，并利用星云发射线的光谱建模，分配其年龄。
• 在两个径向区域构建 AVR：R_GC = 14–17 kpc 和 17–20 kpc，后者与银河系银盘的太阳半径位置相当。
• 通过将观测到的标高与速度 dispersion 变化与星系并合的流体动力学模拟进行比较，估算并合的质量比。
• 利用理论模型推断并合前银盘的标高及为重现观测到的加热效应所需的卫星质量，假设并合发生于 2.5–4.5 Gyr 前。

实验结果

研究问题

• RQ1 M31 银盘中的年龄-速度 dispersion 关系（AVR）是否表现出随年龄单调增加的速度 dispersion，如银河系中所见？
• RQ2 能否基于消光与运动学特性可靠地区分 M31 中的年轻薄银盘与古老厚银盘群体？
• RQ3 基于观测到的 AVR 及其与银河系 AVR 的偏离，M31 的并合历史有何推断？
• RQ4 观测到的速度 dispersion 增加是否与单次主要并合一致？若是，其估计的质量比与时间为何？
• RQ5 PNe 的运动学特性是否能解释 M31 中观测到的约 2 Gyr 前的恒星形成爆发及内晕子结构？

主要发现

• 在 R_GC = 17–20 kpc 处，2.5 Gyr 老 PNe 的速度 dispersion 为 61 ± 14 km s⁻¹，而 4.5 Gyr 老 PNe 的速度 dispersion 为 101 ± 13 km s⁻¹，表明 dispersion 明显随年龄增加。
• 高消光 PNe 追踪了 R_GC > 14 kpc 处动力学更冷、更年轻的薄银盘成分，而低消光 PNe 追踪了更热、更老的厚银盘。
• M31 观测到的 AVR 显著比银河系更热，其速度 dispersion 接近且达到对应年龄银河系恒星的两倍至三倍。
• 运动学数据与约 2.5–4.5 Gyr 前发生的一次主要并合事件一致，卫星质量比约为 1:5，需约 1.4 × 10¹⁰ M☉ 的卫星才能重现观测到的加热效应。
• 并合情景可解释 M31 中 2 Gyr 前的恒星形成爆发及内晕子结构的存在，与流体动力学模拟预测一致。
• 推断的并合前银盘标高约为 0.3 kpc，合并后增至约 0.86 kpc，与观测到的银盘增厚现象一致。