利用LAMOST紅團簇星探索銀河系外盤屋脊結構分布

楊 鵬,李 祥,羅志全,羅楊平

(西華師范大學 物理與天文學院,四川 南充 637009)

銀河系是我們的家園星系,理解其結構和演化特點,可以有效地幫助我們了解宇宙中其他星系的結構和演化。銀河系是一個盤狀星系,盤上包含了絕大部分重子物質,星系中的諸多演化活動,如恒星形成、旋臂、星系棒以及各種形式的長期演化,都發生在星系盤中[1]。恒星的位置和速度信息反過來又揭示了一些銀盤的內部相互作用和外部擾動信息。星系震動學描述了銀河系在非對稱勢中非平衡和非平穩的特征[2-4],具體表現為相空間中豐富的非對稱結構分布[5-15]。隨著對銀河系的認識不斷更新,它的一些細節結構及演化特點逐漸被發現。

屋脊結構描述的是恒星的徑向速度(VR)在銀心距(R)與方位角速度(Vφ)的平面分布中(或其他分布中),清晰地呈現出很多斜線結構特征[11]。屋脊由Antoja等[16]在2018年發現或證實,他們利用Gaia DR2數據不僅揭示了太陽鄰域的屋脊結構、拱形和蝸牛殼,還通過研究發現拱形可能是屋脊在VR-Vφ平面的投影,并且指出對于銀河系的建模需要考慮非對稱的引力勢。最近,Gaia DR3的發布使我們可以從更加精細的層面揭露銀河系的相關細節。Gaia DR3相較于Gaia DR1和Gaia DR2,在數據量和測量精度上都有很大的提升,總共提供了15億顆恒星的高精度位置、視差和自行的信息,其中3 300萬顆極限星等G≈14 mag的恒星帶有視向速度信息[17-19]。在Gaia DR3幫助下,Recio等[20]在繪制銀河系的化學分布圖像時,發現屋脊是一種富金屬的結構,且總共發現了7條屋脊,其中4條較為明顯,其他3條噪聲很大,不夠清晰。Khanna等[21]利用GALAH巡天數據在垂直距離(Z)、垂直速度(VZ)、徑向速度(VR)、金屬豐度(Fe/H)和元素豐度(α/Fe)分布中揭示了屋脊結構。Wang等[11]利用LAMOST巡天數據中的主序拐點星和OB恒星,在化學動力學空間中研究了屋脊的分布,共發現了3條屋脊,其中2條相對穩定,另1條隨著時間演化,但沒有進一步在作用量空間中探索屋脊結構。Antoja等[22]利用Gaia EDR3數據在銀河系外盤發現了1條屋脊,但是沒能在徑向速度分布中揭示屋脊的分布。Khoperskov等[23]發現角動量過密度區域中的恒星可以追蹤許多千秒差距上的密度屋脊以及太陽鄰域VR-Vφ平面上的過密度區域,而且當它們穿過太陽鄰域時,這些屋脊也可以匹配主要的VR-Vφ特征。

為探究屋脊結構可能的形成機制,人們采用了不同的模型。利用“toy”模型,Antoja等[16]發現屋脊結構可以由水平方向的相位混合產生,但是沒能排除銀河系中心棒的影響。Hunt等[24]發現,觀測到的屋脊結構可以很好地在構建的纏繞螺旋結構的測試粒子模型中再現。Fragkoudi等[25]利用無碰撞N體模擬并結合軌道積分發現屋脊結構是由銀河系中心棒的外部Lindblad共振引起的。Barros等[26]發現螺旋共振捕獲的恒星軌道也能產生屋脊特征。總的來說,屋脊的產生機制可以大致分為兩類:一類是沒有外部擾動的內部動力學作用,如旋臂或/和銀河系中心棒的共振作用[26-28];另一類則是外部作用,如銀河系與人馬座星系之間的相互作用[16,29-30]。但是,最近Khanna等[21]暗示內部和外部共同作用也同樣可以產生屋脊結構。

雖然之前的工作從不同的角度對屋脊結構進行了探索,但是對于銀河系外盤的屋脊分布研究較少。本文利用LAMOST巡天數據得到的紅團簇星對銀河系外盤的屋脊結構進行探索,并在作用量和角動量空間中繪制銀河系盤的屋脊結構分布,從而促進對銀河系盤動力學的理解。

1 數 據

1.1 數據介紹

本文使用的是Ting等[31]利用LAMOST巡天數據得到的紅團簇星,并且這些紅團簇星的距離不確定性在10%以內。此星表中包含了所使用紅團簇星的自行、視差、距離和視向速度等信息。采用來自Ting等[32]使用機器學習方法獲得的年齡信息,精度為25%。此外,還使用了Xiang等[33]利用LAMOST DR5低分辨率光譜結合Data-Driven Payne方法得到的8 162 566顆恒星的星表,該星表給出了本文中所使用紅團簇星的金屬豐度和元素豐度信息。由于紅團簇星處于核心氦燃燒階段,其光度基本保持不變,是銀河系中為數不多的標準燭光,這為后面得到的距離信息提供了可靠的基礎。

1.2 數據篩選

以上述數據為基礎,通過交叉匹配的方式獲取了每顆紅團簇星的位置、視差、自行、有效溫度、表面重力、金屬豐度和元素豐度信息。為了進一步提高數據準確性以及過濾信息不完整的數據,采用以下條件進行篩選:

1)8 kpc

2)50 km·s-1

3)Parallax >0;

4)0 Gyr

5)[Fe/H]>-1.5 dex;

6)-1.15<[α/Fe]<1.58。

經過以上條件的篩選,一共獲得了118 535顆同時具有空間位置、速度和化學信息的紅團簇星。圖1展示了最后樣本的分布情況。圖1(a)展示了樣本在Teff-logg平面的分布;圖1(b)展示了樣本在銀心距R=[8,15] kpc,垂直距離Z=[-1.5,1.5] kpc平面中的分布;圖1(c)則是樣本在天球坐標系中的分布。通過觀察紅團簇星在R-Z平面的分布,可以看到銀盤北面的恒星數量比銀盤南面多。此外,還發現年齡較小的紅團簇星位于低銀緯附近,而年齡較大的紅團簇星位于高銀緯處。

圖2展示了樣本恒星的三維速度分布圖(頂部)和Bootstrap方法給出的三維速度誤差的分布圖(底部)。對于徑向速度VR在R=[10,13] kpc范圍內的分布趨勢,方位角速度Vφ圖中的非對稱漂移以及垂直速度VZ在R=[12,14] kpc范圍內的分布趨勢都與Wang等[7,9]和Katz等[18]觀察到的結果一致。

2 結 果

2.1 屋脊結構在R-Vφ,Rg-Vφ平面中的分布

圖3展示了紅團簇星樣本的數密度分布。在繪制的密度圖中,可以清楚地看到3條屋脊,分別對應恒定角動量曲線的值是2 030、2 200和2 400 km·s-1·kpc。圖3右圖則是紅團簇星樣本在Rg-Vφ平面的密度分布,不同顏色的實線代表了3條屋脊被轉換后對應的引導半徑中位值位置(Rg=8.56、9.28、10.12 kpc)。從圖3中可以看到,R-Vφ平面的屋脊結構在Rg-Vφ平面中被轉換為了幾乎垂直的屋脊。

圖4展示了樣本恒星的徑向速度分布。圖4左圖中的屋脊結構分布與Yang等[36]利用紅巨星支發現的屋脊分布一致。不同的是,在紅團簇星樣本繪制的徑向速度分布圖中還存在1條疑似屋脊的信號,其遵守的恒定角動量為2 480 km·s-1·kpc。圖4右圖展示了第三維度為徑向速度時,屋脊結構在Rg-Vφ平面中的分布。與圖3類似,發現的屋脊在Rg-Vφ平面中都轉換為了幾乎垂直的過密度區域,對應的引導半徑中位值分別為9.11、9.79、10.46和11.18 kpc。由于對引導半徑范圍的選擇,轉換后角動量為1 570和1 750 km·s-1·kpc的屋脊并沒有展示在圖4右圖中。

圖5與圖4類似,展示了紅團簇星的垂直速度分布。在垂直速度圖中同樣也發現了明顯的屋脊信號,其角動量分別為1 480、1 620和3 000 km·s-1·kpc。角動量為3 000 km·s-1·kpc的屋脊與Yang等[36]在垂直速度圖中發現的屋脊(LZ=2 920 km·s-1·kpc)相似。在圖5右圖中,角動量為3 000 km·s-1·kpc的屋脊被限制在轉換后引導半徑的最大值和最小值之間,對應的引導半徑中位值為12.66 kpc。因此,R-Vφ平面中具有斜線特征的屋脊會在Rg-Vφ平面被轉換為幾乎垂直的屋脊。

2.2 屋脊結構在LZ-JR,LZ-φ平面中的分布

Recio等[20]利用五百六十多萬顆恒星的數據樣本在LZ-JR平面中發現了7條屋脊。圖6展示了紅團簇星在LZ-JR平面的分布圖,顏色分別由恒星數量、垂直距離、金屬豐度和元素豐度著色。在恒星數量圖中,存在3條疑似屋脊的信號,分別對應于圖中的虛線位置。但在垂直距離、金屬豐度和元素豐度分布中沒能探測到疑似屋脊的信號。在后續工作中,將會利用數量更大、恒星種類更多的樣本再次探索屋脊在LZ-JR平面的分布。圖7展示了紅團簇星樣本的徑向速度和垂直速度在LZ-φ平面的分布。R-Vφ平面中觀察到的屋脊結構,在圖7中全部轉化為了水平方向的屋脊。

2.3 引導空間中一些關于銀河系的印記

在前面兩節中,通過利用計算所得的引導半徑和角動量,分別在Rg-Vφ、LZ-JR和LZ-φ平面探索了屋脊結構的分布,并發現了一些有趣的特征。圖8左側展示了紅團簇星樣本在引導空間中的徑向速度分布,右側是垂直速度分布。在徑向速度分布中,總共可以看到4個明顯的結構,其位置和Khoperskov等[23]利用Gaia EDR3和DR2發現的幾個明顯結構一致。通過對比Khoperskov等[37]的研究結果,角動量空間中的4個過密度區域可能是由旋臂和銀河系中心棒共振以及矮星系擾動的恒星構成的,但需要在后續工作中運用模擬的方式來證實這個結論。此外,在垂直速度分布中還揭示了1個關于銀河系的印記。

3 結 論

本文使用118 535顆紅團簇星,研究了作用量空間中的屋脊結構分布,并探索了銀河系在引導空間中的一些信號。在密度分布、徑向速度分布和垂直速度分布中都探測到數量不等的屋脊結構。R-Vφ平面的屋脊在轉換到Rg-Vφ平面時,全部轉換為了幾乎垂直的屋脊。此外,當在LZ-φ平面描繪屋脊結構時,徑向速度和垂直速度圖中的屋脊全部轉換為了水平的屋脊。結合角動量和作用量信息,在LZ-JR平面發現了3條疑似屋脊結構的信號。最后,在引導空間中揭示了5個關于銀河系的印記,分別是徑向速度分布中的4個過密度區域和垂直速度分布中的1個過密度區域。這些特征信號可能與旋臂和銀河系中心棒的共振等有關。

現階段的工作重心集中在對于屋脊結構的發現層面。在后續的工作中,將利用更加精準的數據,結合模擬的方法探索銀河系屋脊結構的起源,并探索其他星系中是否也存在屋脊這種子結構。