[论文解读] Vertical distribution of Galactic disk stars : II. The surface mass density in the Galactic plane

A. Siebert, O. Bienaymé+1 more|ArXiv.org|Nov 14, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 24被引用 43

一句话总结

本研究利用北天极方向红团簇星的高分辨率光谱以及本地Hipparcos类星体，确定了银河系盘的垂直引力势和表面质量密度。该研究首次直接测量了盘的质量标高，结果为390$^{+330}_{-120}$ pc，太阳半径处总表面质量密度为67 M$_{\odot}$ pc$^{-2}$，与恒星和气体组分一致，并排除了存在厚暗晕盘的可能性。

ABSTRACT

High resolution spectra data of red clump stars towards the NGP have been obtained with the high resolution spectrograph Elodie at OHP for Tycho-2 selected stars. Combined with Hipparcos local analogues, we determine both the gravitational force law perpendicaular to the Galactic plane, and the total surface mass density and thickness of the Galactic disk. The surface mass density of the Galactic disk within 800 pc derived from this analysis is Sigma(|z|<800pc)=76 Msol.pc-2 and, removing the dark halo contribution, the total disk mass density is Sigma0=67 Msol.pc-2 at solar radius. The thickness of the total disk mass distribution is dynamicaly measured for the first time and is found to be 390pc in relative agreement with the old stellar disk scale height. All dynamical evidences concerning the structure of the disk (its local volume density -i.e. the Oort limit-, its surface density and its thickness) are compatible with our knowledge of the corresponding stellar disk properties.

研究动机与目标

• 利用恒星运动学确定银河系盘的垂直引力力律和表面质量密度。
• 首次通过动力学方法测量整个盘质量分布的厚度。
• 在去除暗晕贡献后，约束本地盘的表面质量密度。
• 检验动力学参数与已知恒星盘特性（如标高、体密度）之间的一致性。
• 通过结合远程和本地恒星样本，改进Oort极限估计，以解决“Kz问题”。

提出的方法

• 使用OHP的ELODIE仪器对北天极方向的红团簇巨星进行高分辨率光谱观测。
• 结合一个本地Hipparcos星体样本，其颜色和绝对星等与目标星体相似，以改善距离和速度校准。
• 采用TGMET方法，通过与Hipparcos星体库的光谱比较，推导出大气参数和绝对星等。
• 对本地Hipparcos子样本应用修正的Lutz-Kelker偏差校正，以考虑距离不确定性。
• 在不同z高度上，使用多区模型拟合垂直势Φ(z)和垂直力Kz。
• 从垂直力律和恒星分布函数推导出表面质量密度Σ和质量标高D。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系平面800 pc范围内，银河系盘的表面质量密度是多少？
• RQ2 整个盘质量分布的动态厚度是多少？
• RQ3 所推导的表面质量密度与以往估计值及已知的恒星/气体组分相比如何？
• RQ4 在200–500 pc范围内，垂直力律是否与单指数盘模型一致？
• RQ5 能否通过具有球形暗晕和动态测量的质量标高的盘来解释观测到的旋转曲线？

主要发现

• 在银河系平面800 pc范围内的银河系盘表面质量密度为Σ(|z| < 800 pc) = 76 M$_{\odot}$ pc$^{-2}$，包含可见物质和暗晕的贡献。
• 在去除暗晕贡献后，总盘表面质量密度在太阳半径处为Σ₀ = 67 M$_{\odot}$ pc$^{-2}$。
• 首次直接通过动力学方法测量盘的质量标高，结果为D = 390$^{+330}_{-120}$ pc，与老年恒星盘的标高一致。
• 所推导的质量标高与星体计数的独立估计（如Chen et al. 2001, Ojha et al. 1996）相容，支持在200–500 pc范围内采用350 pc指数盘模型。
• 本地体密度和表面质量密度与当前对恒星和气体组分的认知一致，支持具有球形暗晕的平坦旋转曲线解释。
• Σ₀的1-σ上限为114 M$_{\odot}$ pc$^{-2}$，低于最大盘极限（约100 M$_{\odot}$ pc$^{-2}$），从而排除了存在厚暗物质盘的可能性。