利用LAMOST紅團(tuán)簇星探索銀河系外盤(pán)屋脊結(jié)構(gòu)分布

楊 鵬,李 祥,羅志全,羅楊平

(西華師范大學(xué) 物理與天文學(xué)院,四川 南充 637009)

銀河系是我們的家園星系,理解其結(jié)構(gòu)和演化特點(diǎn),可以有效地幫助我們了解宇宙中其他星系的結(jié)構(gòu)和演化。銀河系是一個(gè)盤(pán)狀星系,盤(pán)上包含了絕大部分重子物質(zhì),星系中的諸多演化活動(dòng),如恒星形成、旋臂、星系棒以及各種形式的長(zhǎng)期演化,都發(fā)生在星系盤(pán)中[1]。恒星的位置和速度信息反過(guò)來(lái)又揭示了一些銀盤(pán)的內(nèi)部相互作用和外部擾動(dòng)信息。星系震動(dòng)學(xué)描述了銀河系在非對(duì)稱(chēng)勢(shì)中非平衡和非平穩(wěn)的特征[2-4],具體表現(xiàn)為相空間中豐富的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)分布[5-15]。隨著對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)不斷更新,它的一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)及演化特點(diǎn)逐漸被發(fā)現(xiàn)。

屋脊結(jié)構(gòu)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(xiàn)出很多斜線(xiàn)結(jié)構(gòu)特征[11]。屋脊由Antoja等[16]在2018年發(fā)現(xiàn)或證實(shí),他們利用Gaia DR2數(shù)據(jù)不僅揭示了太陽(yáng)鄰域的屋脊結(jié)構(gòu)、拱形和蝸牛殼,還通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)拱形可能是屋脊在VR-Vφ平面的投影,并且指出對(duì)于銀河系的建模需要考慮非對(duì)稱(chēng)的引力勢(shì)。最近,Gaia DR3的發(fā)布使我們可以從更加精細(xì)的層面揭露銀河系的相關(guān)細(xì)節(jié)。Gaia DR3相較于Gaia DR1和Gaia DR2,在數(shù)據(jù)量和測(cè)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(wàn)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(xué)分布圖像時(shí),發(fā)現(xiàn)屋脊是一種富金屬的結(jié)構(gòu),且總共發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。Wang等[11]利用LAMOST巡天數(shù)據(jù)中的主序拐點(diǎn)星和OB恒星,在化學(xué)動(dòng)力學(xué)空間中研究了屋脊的分布,共發(fā)現(xiàn)了3條屋脊,其中2條相對(duì)穩(wěn)定,另1條隨著時(shí)間演化,但沒(méi)有進(jìn)一步在作用量空間中探索屋脊結(jié)構(gòu)。Antoja等[22]利用Gaia EDR3數(shù)據(jù)在銀河系外盤(pán)發(fā)現(xiàn)了1條屋脊,但是沒(méi)能在徑向速度分布中揭示屋脊的分布。Khoperskov等[23]發(fā)現(xiàn)角動(dòng)量過(guò)密度區(qū)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(yáng)鄰域VR-Vφ平面上的過(guò)密度區(qū)域,而且當(dāng)它們穿過(guò)太陽(yáng)鄰域時(shí),這些屋脊也可以匹配主要的VR-Vφ特征。

為探究屋脊結(jié)構(gòu)可能的形成機(jī)制,人們采用了不同的模型。利用“toy”模型,Antoja等[16]發(fā)現(xiàn)屋脊結(jié)構(gòu)可以由水平方向的相位混合產(chǎn)生,但是沒(méi)能排除銀河系中心棒的影響。Hunt等[24]發(fā)現(xiàn),觀測(cè)到的屋脊結(jié)構(gòu)可以很好地在構(gòu)建的纏繞螺旋結(jié)構(gòu)的測(cè)試粒子模型中再現(xiàn)。Fragkoudi等[25]利用無(wú)碰撞N體模擬并結(jié)合軌道積分發(fā)現(xiàn)屋脊結(jié)構(gòu)是由銀河系中心棒的外部Lindblad共振引起的。Barros等[26]發(fā)現(xiàn)螺旋共振捕獲的恒星軌道也能產(chǎn)生屋脊特征。總的來(lái)說(shuō),屋脊的產(chǎn)生機(jī)制可以大致分為兩類(lèi):一類(lèi)是沒(méi)有外部擾動(dòng)的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)作用,如旋臂或/和銀河系中心棒的共振作用[26-28];另一類(lèi)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(nèi)部和外部共同作用也同樣可以產(chǎn)生屋脊結(jié)構(gòu)。

雖然之前的工作從不同的角度對(duì)屋脊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索,但是對(duì)于銀河系外盤(pán)的屋脊分布研究較少。本文利用LAMOST巡天數(shù)據(jù)得到的紅團(tuán)簇星對(duì)銀河系外盤(pán)的屋脊結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索,并在作用量和角動(dòng)量空間中繪制銀河系盤(pán)的屋脊結(jié)構(gòu)分布,從而促進(jìn)對(duì)銀河系盤(pán)動(dòng)力學(xué)的理解。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文使用的是Ting等[31]利用LAMOST巡天數(shù)據(jù)得到的紅團(tuán)簇星,并且這些紅團(tuán)簇星的距離不確定性在10%以?xún)?nèi)。此星表中包含了所使用紅團(tuán)簇星的自行、視差、距離和視向速度等信息。采用來(lái)自Ting等[32]使用機(jī)器學(xué)習(xí)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(jié)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(tuán)簇星的金屬豐度和元素豐度信息。由于紅團(tuán)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(shù)不多的標(biāo)準(zhǔn)燭光,這為后面得到的距離信息提供了可靠的基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)篩選

以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)交叉匹配的方式獲取了每顆紅團(tuán)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(jìn)一步提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及過(guò)濾信息不完整的數(shù)據(jù),采用以下條件進(jìn)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(jīng)過(guò)以上條件的篩選,一共獲得了118 535顆同時(shí)具有空間位置、速度和化學(xué)信息的紅團(tuán)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(biāo)系中的分布。通過(guò)觀察紅團(tuán)簇星在R-Z平面的分布,可以看到銀盤(pán)北面的恒星數(shù)量比銀盤(pán)南面多。此外,還發(fā)現(xiàn)年齡較小的紅團(tuán)簇星位于低銀緯附近,而年齡較大的紅團(tuán)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(duì)于徑向速度VR在R=[10,13] kpc范圍內(nèi)的分布趨勢(shì),方位角速度Vφ?qǐng)D中的非對(duì)稱(chēng)漂移以及垂直速度VZ在R=[12,14] kpc范圍內(nèi)的分布趨勢(shì)都與Wang等[7,9]和Katz等[18]觀察到的結(jié)果一致。

2 結(jié) 果

2.1 屋脊結(jié)構(gòu)在R-Vφ,Rg-Vφ平面中的分布

圖3展示了紅團(tuán)簇星樣本的數(shù)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(duì)應(yīng)恒定角動(dòng)量曲線(xiàn)的值是2 030、2 200和2 400 km·s-1·kpc。圖3右圖則是紅團(tuán)簇星樣本在Rg-Vφ平面的密度分布,不同顏色的實(shí)線(xiàn)代表了3條屋脊被轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)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(jié)構(gòu)在Rg-Vφ平面中被轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)分布與Yang等[36]利用紅巨星支發(fā)現(xiàn)的屋脊分布一致。不同的是,在紅團(tuán)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(hào),其遵守的恒定角動(dòng)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(shí),屋脊結(jié)構(gòu)在Rg-Vφ平面中的分布。與圖3類(lèi)似,發(fā)現(xiàn)的屋脊在Rg-Vφ平面中都轉(zhuǎn)換為了幾乎垂直的過(guò)密度區(qū)域,對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)半徑中位值分別為9.11、9.79、10.46和11.18 kpc。由于對(duì)引導(dǎo)半徑范圍的選擇,轉(zhuǎn)換后角動(dòng)量為1 570和1 750 km·s-1·kpc的屋脊并沒(méi)有展示在圖4右圖中。

圖5與圖4類(lèi)似,展示了紅團(tuán)簇星的垂直速度分布。在垂直速度圖中同樣也發(fā)現(xiàn)了明顯的屋脊信號(hào),其角動(dòng)量分別為1 480、1 620和3 000 km·s-1·kpc。角動(dòng)量為3 000 km·s-1·kpc的屋脊與Yang等[36]在垂直速度圖中發(fā)現(xiàn)的屋脊(LZ=2 920 km·s-1·kpc)相似。在圖5右圖中,角動(dòng)量為3 000 km·s-1·kpc的屋脊被限制在轉(zhuǎn)換后引導(dǎo)半徑的最大值和最小值之間,對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)半徑中位值為12.66 kpc。因此,R-Vφ平面中具有斜線(xiàn)特征的屋脊會(huì)在Rg-Vφ平面被轉(zhuǎn)換為幾乎垂直的屋脊。

2.2 屋脊結(jié)構(gòu)在LZ-JR,LZ-φ平面中的分布

Recio等[20]利用五百六十多萬(wàn)顆恒星的數(shù)據(jù)樣本在LZ-JR平面中發(fā)現(xiàn)了7條屋脊。圖6展示了紅團(tuán)簇星在LZ-JR平面的分布圖,顏色分別由恒星數(shù)量、垂直距離、金屬豐度和元素豐度著色。在恒星數(shù)量圖中,存在3條疑似屋脊的信號(hào),分別對(duì)應(yīng)于圖中的虛線(xiàn)位置。但在垂直距離、金屬豐度和元素豐度分布中沒(méi)能探測(cè)到疑似屋脊的信號(hào)。在后續(xù)工作中,將會(huì)利用數(shù)量更大、恒星種類(lèi)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(tuán)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(jié)構(gòu),在圖7中全部轉(zhuǎn)化為了水平方向的屋脊。

2.3 引導(dǎo)空間中一些關(guān)于銀河系的印記

在前面兩節(jié)中,通過(guò)利用計(jì)算所得的引導(dǎo)半徑和角動(dòng)量,分別在Rg-Vφ、LZ-JR和LZ-φ平面探索了屋脊結(jié)構(gòu)的分布,并發(fā)現(xiàn)了一些有趣的特征。圖8左側(cè)展示了紅團(tuán)簇星樣本在引導(dǎo)空間中的徑向速度分布,右側(cè)是垂直速度分布。在徑向速度分布中,總共可以看到4個(gè)明顯的結(jié)構(gòu),其位置和Khoperskov等[23]利用Gaia EDR3和DR2發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)明顯結(jié)構(gòu)一致。通過(guò)對(duì)比Khoperskov等[37]的研究結(jié)果,角動(dòng)量空間中的4個(gè)過(guò)密度區(qū)域可能是由旋臂和銀河系中心棒共振以及矮星系擾動(dòng)的恒星構(gòu)成的,但需要在后續(xù)工作中運(yùn)用模擬的方式來(lái)證實(shí)這個(gè)結(jié)論。此外,在垂直速度分布中還揭示了1個(gè)關(guān)于銀河系的印記。

3 結(jié) 論

本文使用118 535顆紅團(tuán)簇星,研究了作用量空間中的屋脊結(jié)構(gòu)分布,并探索了銀河系在引導(dǎo)空間中的一些信號(hào)。在密度分布、徑向速度分布和垂直速度分布中都探測(cè)到數(shù)量不等的屋脊結(jié)構(gòu)。R-Vφ平面的屋脊在轉(zhuǎn)換到Rg-Vφ平面時(shí),全部轉(zhuǎn)換為了幾乎垂直的屋脊。此外,當(dāng)在LZ-φ平面描繪屋脊結(jié)構(gòu)時(shí),徑向速度和垂直速度圖中的屋脊全部轉(zhuǎn)換為了水平的屋脊。結(jié)合角動(dòng)量和作用量信息,在LZ-JR平面發(fā)現(xiàn)了3條疑似屋脊結(jié)構(gòu)的信號(hào)。最后,在引導(dǎo)空間中揭示了5個(gè)關(guān)于銀河系的印記,分別是徑向速度分布中的4個(gè)過(guò)密度區(qū)域和垂直速度分布中的1個(gè)過(guò)密度區(qū)域。這些特征信號(hào)可能與旋臂和銀河系中心棒的共振等有關(guān)。

現(xiàn)階段的工作重心集中在對(duì)于屋脊結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)層面。在后續(xù)的工作中,將利用更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù),結(jié)合模擬的方法探索銀河系屋脊結(jié)構(gòu)的起源,并探索其他星系中是否也存在屋脊這種子結(jié)構(gòu)。