[论文解读] Tracing the Magellanic Clouds Back in Time

P. J. E. Peebles|ArXiv.org|Jul 29, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文利用宇宙学初始条件和包含外部质量作为第三动力学天体的三体动力学模型，重建了大麦哲伦云、小麦哲伦云、银河系及仙女座星系的过去轨道。研究发现，大麦哲伦云和小麦哲伦云很可能在 z~10 时起源于银河系南天极附近，银河系的圆轨道速度被约束在 200–230 km s⁻¹ 之间，大麦哲伦云的质量估计约为 ~4×10¹⁰ M☉，与一个束缚系统一致。

ABSTRACT

A solution is presented for the past motions of the Magellanic Clouds, the Milky Way galaxy, and M31, fitted to the measured velocities of the Clouds and M31, under some simplifying assumptions. The galaxies are modeled as isolated bodies back to redshift about 10, when their velocities relative to the general expansion of the universe were small, consistent with the gravitational instability picture for the growth of structure. Mass outside the Local Group is modeled as a third massive dynamical actor that is responsible for the angular momentum of the Clouds. A plausible solution under these assumptions requires that the circular velocity v_c of the Milky Way is in the range 200 to 230 km/s. The solution seems to be unique up to the modest variations allowed by the choices of v_c and the position of the exterior mass. In this solution the proto-Magellanic Clouds at high redshift were near the South pole of the Milky Way (in its present orientation), at physical distance about 200 kpc from the Milky Way and moving away at about 200 km/s.

研究动机与目标

• 利用观测速度和宇宙学初始条件，重建大麦哲伦云、银河系及仙女座星系的过去运动。
• 确定观测到的大麦哲伦云的高本动速度是否可由一个包含第三质量外部天体的动力学模型解释。
• 通过与观测到的径向速度和切向速度的一致性，约束银河系的圆轨道速度和大麦哲伦云的质量。
• 评估在引力不稳定性与哈勃流假设下，大麦哲伦云和小麦哲伦云在高红移时起源于银河系南天极附近的合理性。
• 评估为解释大麦哲伦云角动量所需外部质量是否可合理地建模为单一质量体，或需更复杂的质量分布。

提出的方法

• 将大麦哲伦云及其宿主星系建模为点质量，回溯至 z~10，假设其初始本动速度约为 100 km s⁻¹，与原初密度涨落引起的引力吸积一致。
• 引入一个位于本星系群之外的第三质量体，以解释大麦哲伦云观测到的轨道角动量，该角动量无法仅由银河系-仙女座星系双体系统解释。
• 在牛顿引力下对轨道轨迹进行数值积分，初始条件设定在 z~10 时，本动速度相对于哈勃流较小。
• 采用半经验方法，结合观测速度数据（Kallivayalil et al. 2006）与早期结构形成的宇宙学约束。
• 通过调整大麦哲伦云的质量以及外部第三质量体的位置和质量，使模型拟合观测到的大麦哲伦云和仙女座星系的径向和切向速度。
• 通过改变银河系的圆轨道速度（vc）并评估外部质量配置变化对模型的影响，测试模型的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的大麦哲伦云的高本动速度（270 km s⁻¹）能否由一个包含本星系群之外第三质量体的动力学模型解释？
• RQ2 大麦哲伦云和仙女座星系的观测运动对高红移时银河系的圆轨道速度施加了何种约束？
• RQ3 在宇宙学初始条件和引力不稳定性假设下，大麦哲伦云和小麦哲伦云在 z~10 时起源于银河系南天极附近是否合理？
• RQ4 为产生大麦哲伦云轨道角动量所需外部质量是否可合理地建模为单一质量体，还是需要更复杂的质量分布？
• RQ5 由模型推断的大麦哲伦云质量（~4×10¹⁰ M☉）与束缚卫星系统的预期值相比如何？

主要发现

• 银河系的圆轨道速度被约束在 200–230 km s⁻¹ 范围内，在模型假设下该范围内的解是唯一的。
• 大麦哲伦云的质量估计约为 4×10¹⁰ M☉，与小麦哲伦云被引力束缚于大麦哲伦云系统一致。
• 原初大麦哲伦云系统在红移 z~10 时位于距离银河系约 200 kpc 处，处于当前银河系方向的南天极附近。
• 在 z~10 时，大麦哲伦云正以约 200 km s⁻¹ 的速度远离银河系，与初始本动速度较小的条件一致。
• 为产生大麦哲伦云观测到的轨道角动量，所需外部质量被建模为一个质量与仙女座星系相当的单一质量体，其距离在 z~10 时产生的潮汐场约为 100 km s⁻¹。
• 该模型表明，仙女座星系的观测切向速度较小，这减少了可能解的多重性，从而提高了模型的合理性。