[论文解读] Vertical distribution of Galactic disk stars: III. The Galactic disk surface mass density from red clump giants

O. Bienaymé, C. Soubiran+3 more|ArXiv.org|Oct 14, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 49被引用 67

一句话总结

本研究利用在上普罗旺斯天文台观测到的红巨星分支恒星，并结合Hipparcos星历表数据，测量了银河系盘面的表面质量密度。通过使用单参数与双参数模型拟合垂直引力势，研究发现在距离银道面1.1 kpc范围内，表面质量密度为57–79 M⊙ pc⁻²，未发现盘面存在显著暗物质的证据，也排除了存在强烈扁平化暗物质晕的可能性。

ABSTRACT

We used red clump stars to measure the surface mass density of the Galactic disk in the solar neighbourhood. High resolution spectra of red clump stars towards the NGP have been obtained with the ELODIE spectrograph at OHP for Tycho-2 selected stars, and nearby Hipparcos counterparts were also observed. We determined their distances, velocities, and metallicities to measure the gravitational force law perpendicular to the Galactic plane. As in most previous studies, we applied one-parameter models of the vertical gravitational potential. We obtained a disk surface mass density within 1.1kpc of the Galactic plane, Sigma_{1.1kpc}=64+/-5 Msun_pc^{-2}, with an excellent formal accuracy, however we found that such one-parameter models can underestimate the real uncertainties. Applying two-parameter models, we derived more realistic estimates of the total surface mass density within 800pc from the Galactic plane, Sigma_{0.8kpc}=57-66 Msun pc^{-2}, and within 1.1kpc, Sigma{1.1kpc}=57-79 Msun pc^{-2}. This can be compared to literature estimates of \sim40 Msun pc^{-2} in stars and to 13 Msun pc^{-2} in the less accurately measured ISM contribution. We conclude that there is no evidence of large amounts of dark matter in the disk and, furthermore, that the dark matter halo is round or not vey much flattened. A by-product of this study is the determination of the half period of oscillation by the Sun through the Galactic plane, 42+/-2Myr, which cannot be related to the possible period of large terrestrial impact craters \sim 33-37Myr.

研究动机与目标

• 利用红巨星分支恒星作为运动学示踪体，测定本地银河系盘面的表面质量密度。
• 评估模型假设（特别是单参数与双参数模型）对表面质量密度不确定度估计的影响。
• 检验观测到的垂直势是否需要盘面存在显著的暗物质贡献。
• 利用改进的动力学约束重新评估太阳在银道面垂直方向振荡的半周期。
• 检验推导出的质量密度与独立估算的恒星、气体及暗物质贡献之间的一致性。

提出的方法

• 利用Tycho-2星表选取朝向北银极的红巨星分支恒星，并使用上普罗旺斯天文台的ELODIE光谱仪获取高分辨率光谱。
• 将光谱数据与Hipparcos天体测量数据结合，确定每颗恒星的距离、径向速度及金属丰度([Fe/H])。
• 利用这些恒星的垂直相空间分布来建模垂直引力势，并推断表面质量密度。
• 应用单参数模型（球对称暗物质晕）与双参数模型（扁平化暗物质晕）以评估系统性不确定度。
• 结合总本地体积质量密度（0.10 M⊙ pc⁻³）以及已知的恒星与气体贡献，检验结果的一致性。
• 利用推导出的垂直力律计算太阳在银道面垂直方向振荡的半周期。

实验结果

研究问题

• RQ1 在距离银道面1.1 kpc范围内，红巨星分支恒星约束下的银河系盘面表面质量密度是多少？
• RQ2 关于暗物质晕的假设（球对称 vs. 扁平化）如何影响推导出的表面质量密度及其不确定度？
• RQ3 是否存在盘面平面内显著暗物质贡献的证据？
• RQ4 太阳在银道面垂直方向振荡的半周期是否与周期性地外撞击坑事件相关？
• RQ5 单参数模型与双参数模型在表面质量密度估计的不确定度上如何比较？

主要发现

• 单参数模型得出在银道面1.1 kpc范围内的表面质量密度为64 ± 5 M⊙ pc⁻²，但该结果低估了真实不确定度。
• 采用允许存在扁平化暗物质晕的双参数模型后，表面质量密度被约束在1.1 kpc范围内为57–79 M⊙ pc⁻²，800 pc范围内为57–66 M⊙ pc⁻²。
• 推导出的表面质量密度与可见物质（53 M⊙ pc⁻²）和球对称暗物质晕贡献（15 M⊙ pc⁻²）之和一致。
• 数据排除了扁平化因子大于约2–3的暗物质晕，表明其必须近乎球对称。
• 太阳在银道面垂直方向振荡的半周期测定为42 ± 2 Myr，与地表撞击坑周期性（33–37 Myr）不一致。
• 总本地体积质量密度（0.10 M⊙ pc⁻³）仅留下0.014 M⊙ pc⁻³用于暗物质，除非气体密度被高估，否则暗物质晕的扁平化程度最多为2倍左右。