2021/1/19-20 CfCAユーザーズミーティング

天の川銀河の動⼒学構造研究の進展
̶ 位置天⽂学観測の⽴場から ̶

Todayʼs Talk
1. 天の川銀河研究の意義：太陽系起源”3W1H”
2. Gaia成果：シミュレーション研究の貢献
3. 渦状腕構造の新たなパラダイム
4. 銀河円盤の物質混合イベント：棒状構造形成
5. シミュレーション研究への要求

The Gaiaʼs Sky (ESA/DPAC)
The “Simulated” Milky Way(Baba, Saitoh et al. 2017, MNRAS, 464, 246)

⾺場 淳⼀

(国⽴天⽂台 JASMINEプロジェクト)
1

天の川銀河 = 太陽系と直接的につながる唯⼀無⼆の銀河
Big Bang→ 銀河形成進化 (星形成/元素合成)→ 太陽系・地球・⽣物の誕⽣
太陽系の隕⽯組成に
銀河化学進化情報が刻まれる(e.g. Clayton 1997)

ー)

銀河考古学・近傍宇宙論

棒

状

構

造

(バ

(e.g. Freeman & Bland-Hawthorn 2002)

恒星系円盤（厚い円盤+薄い円盤)

中⼼核バルジ
渦状腕

Galactic-scale Hydro. Sim.

Fujimoto, Krumholz, Tachibana (2018)

We are here.

2

Nittler & Ciesla, 2016, ARA&A

太陽系の起源 “3W1H”

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Where ：どこで誕⽣したのか？
e.g. R ~ 3 kpc, 6 kpc?
What ：なにによって移動してきたのか？
e.g. bar / spiral / GMC?
When ：いつ移動してきたのか？
Howe.g. 4.6 Ga, 100 Ma?
：どのように移動してきたのか？
e.g. fast, slow, wander?

野望：これらの問いに銀河動⼒学 (+ 化学進化) から答えたい（そのために、天の川銀河の研究をしている。私は。）= 銀河系円盤（恒星系円盤）における⼤局的な混合過程の理解
3

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Eﬃcient Migration of the Sun
via “Dynamic” Spiral + “Slowing” Bar
太陽の化学組成→ Rbirth <~5 kpc << 8.5 kpc

bar frame(see also Wielen et al. 1996)

bar frame (polar)

R0 ~ 8.5 kpcまでいかにして辿り着いたのか？
渦状腕の時間変動性の有無
バー構造の有無
バー構造の回転の減速の有無
a. Spiral arms onlyb. Bar onlyc. “Dynamic” Spiral + Bar

割合
birth
radius

銀河中⼼距離 R [kpc]4

Tsujimoto & JB, 2020, ApJ, 904, 137

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Spiral Encounters & Snowball Earth Events
Tsujimoto & JB, 2020, ApJ, 904, 137~0.7 Ga

Current Sunʼs radius
R0 ~ 8.5 kpc~2.2 Ga

orbital integrations in dynamically evolving bar/spirals

Example 1

Example 2

migration

Solar Birth Radius
3 < R < 5 kpc

Present

4.6 GaLocal density(spiral encounters)
分⼦雲

超新星

spiral arm

5

Averaged2. Gaia の成果：”quick” review
Astrometric Satellite “GAIA”
launched 19th Dec. 2013
可視光帯・ESA

6

Gaia Revolution

̶ Astrometry (位置天⽂観測) ̶
main baryonic component = “Stars”
Gaia → 1.3B starsʼs 6D phase space
info. (α,δ,ϖ,μα,μδ,vr)
DR1 (2016/9)
DR2 (2018/4)

EDR3 (2020/12/3) ← Now, here!

⊿ϖ ~ 25 μas⊿μ ~ 25 μas/yr
LOS vel. (RVS)

Gaia (2013~)~10 uas; 1.3B

d <~ 5 kpc

Sun

質~2桁
量~4桁

DR3 (2022)
Final (TBD)

d <~ 100 pc→ global-scale galactic dynamics
reveal bar / spiral structures& stellar evolution
7

Hipparcos (1989~1992)~1 mas; 120K

courtesy X. Luri and A. Robin
Rix & Bovy, A&ARv, 21, 61, (2013)

Hipparcosが描き出した天の川

世界初のスペース位置天⽂観測

118,218 stars
Hw < 12等級

1989-1993
ESA

d < 100 pc

ωケンタウリ (球状星団)

アンドロメダ銀河M31
さんかく座銀河M33

⼤マゼラン雲⼩マゼラン雲8© ESA/Hipparcos/J. de Bruijne

Gaiaが描き出した”動く”天の川
2018年4⽉データ公開 (Gaia DR2)

約13億の星の位置・速度測定 (精度 0.02 - 2 mas)
G <~ 20等級; d <~ 5 kpc
2013-運⽤中多数の変光星 (候補) の発⾒- セファイド：約1万個- こと座RR型：約14万個- その他© ESA/Gaia
9

Gaia Collaboration, Brown et al., 2018, A&A⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

kpc-scale velocity ﬁelds & rich substructures in the local velocity ﬁeld
Gaia Collaboration, Katz et al., A&A, 616, A11, (2018)

速度空間分布（太陽近傍）
Hipparcos

銀河中⼼

r=4 kpc

V (= Vφ) [km/s]

Antoja et al. 200810

Coma Berenices
HyadesHercules(trimodal?)SiriusPleiadesGaia DR2
U (= -VR) [km/s]

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Rgc-Vrot ridges v.s. local moving groups✓resonance features related with bar/spiral ??
(e.g. Asano, Fujii, JB et al. 2020)✓phase wrapping of dynamic spirals ??

Kawata, JB et al. 2018, MNRAS

see also Asano, Fujii, JB, 2020, MNRAS

fast rot(e.g. Hunt, Kawata et al. 2018, 2019)

Solar Neighbors (d < 200 pc)

回転速度 Vφ - VLSR [km/s]

SiriusHyadesPleiades
Herculesslow rot
outward

銀河中⼼距離 R [kpc]11

inward⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20“Trimodal” Hercules stream due to bar resonances

Asano, Fujii, JB et al. 2020, MNRAS

reproduced the “faint” substructures of the Hercules stream.
compare Gaia DR2 with N-body sim. -> Ωbar ~ 40–45 km/s/kpc
N-body sim. (5.1 billion)

Gaia DR2
Solar
fast rotNeighbors (d < 200 pc)

Fujii, Bedorf, JB et al. 2019, MNRAS(GPU Clusters at U. Tsukuba & Leuden U.)

slow rot
outwardinward12

Galactic rotation from Cepheids with Gaia DR2
and eﬀects of non-axisymmetry

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Kawata, Bovy, Matsunaga, JB, 2019, MNRAS
using distance & velocities of 218 Cepheids
MCMC ﬁtting of axisymmetric disk kinematic model (i.e. asymmetric drift eq.)
local circular velocity:
Vc(R0) = 236±3 km/s
Sunʼs peculiar velocity:(U⦿,V⦿) = (12.4±0.7,7.7±0.9) km/s

N-body/SPH sim.

using mock data of N-body/SPH sim.
(Baba+2018, ATERUI-II)
systematic uncertainty of Vc ~ 6 km/s
due to bar/spiral structures13⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Galactic Bar Resonances Inferred from Kinematically Hot Stars

Kawata, JB et al. arXiv:2012.05890
6D位相空間情報 (Gaia) + 重⼒場 (仮定) → 星の軌道情報 (作⽤積分)、軌道共鳴情報
JRがある程度⼤きな軌道の星はバーの影響が選択的によく反映される (渦状腕の影響が弱い)→ バーの⼒学パラメータ推定が可能, Ωbar ~ 34 or 42 km/s/kpc(~軌道離⼼率)radial action JR

N-body/SPH action space (JB & Kawata 2020, ATERUI-II)

azimuthal action Jφ = Lz (~軌道半径)14Gaia EDR3 action space

Resonance trapping
features in action space

Gaia Data Release Scenario
see https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/release

Early DR3 (third quarter of 2020) ← 昨年末12/3!

- Improved astrometry (positions, parallaxes, proper motions)- Improved photometry (integrated G, GBP, GRP)
- ものすごく新たな観測データというよりは、DR2の精度を向上させたEDR3を公開

DR3 (ﬁrst half of 2022) ← 来年の前半 (1年半後?)- Object classiﬁcation and astrophysical parameters, together with BP/RP spectra and/or RVS spectra they are based on, for spectroscopically and (spectro-)photometricallywell-behaved objects.
- Mean radial velocities for stars with available atmospheric-parameter estimates.
- Variable-star classiﬁcations together with the epoch photometry used for the stars.
- Solar-system results with preliminary orbital solutions and individual epoch
observations.
変光星・(位置天⽂学的)連星- Non-single stars.
- Quasars and Extended Objects results- An additional data set, called the Gaia Andromeda Photometric Survey (GAPS),
consisting of the photometric time series for *all* sources located in a 5.5 degree
radius ﬁeld centred on the Andromeda galaxy.
15

3. 渦状腕構造

動的渦状腕モデル
Baba et al. 2013, ApJ
Baba 2015, MNRAS,
Dobbs & Baba, 2014, PASA (review)
渦状腕モデルの観測的検証法
Baba et al. 2015, PASJ
Baba et al. 2016, MNRAS
Gaiaデータによる検証 (w/ ATERUI)
Baba et al. 2018, ApJ
Miyachi et al (JB). 2019, ApJ
16

Kawata, JB et al. 2018, MNRAS

教科書的な話 巻き込みの困難 (ジレンマ)- 渦状腕=実体(常に同じ星が渦状腕を構成)をすると- 差動回転によりぐるぐるに巻き込まれる(e.g 宇宙年齢の間に〜40巻き)
渦状腕を実体と考えると、現実の渦巻- 現実の渦巻銀河(〜1, 2巻き)銀河のゆるい巻き込みを説明できない

点P：1/4回転

点P：2回転点Q：1/2回転

点Q：1回転

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

J. Oort (1962)※平坦な回転曲線=差動回転 (点Pは点Qの2倍の回転周期)

これは「⾃⼰重⼒を無視」した場合の議論
実際には、⾃⼰重⼒と差動回転の影響で、実体的な腕構造は、形成・破壊を繰り返す (Baba et al. 2013) → 動的渦状腕モデル
see also Michikoshi & Kokubo (2015,2016,2018,2020)

17

実際の銀河：〜1巻

余談 「動的渦状腕」の名称について• 国内外で定着しつつある名称• 伝統的には ”transient, recurrent spiral” or “transient spiral”(Sellwood & Carlberg 1984) と呼ばれることが多いが、単なる⾮定常というよりは、星の運動の集団同期などの協同現象を扱う「⾮線形科学」的側⾯を強調したいと、指導教官の和⽥桂⼀⽒ (⿅児島⼤) と思索。
※ Baba et al. 2013では ”Non-Steady Spiral” としてある• 「動的平衡」（福岡伸⼀）に触発され、「動的平衡渦状腕（dynamic
equilibrium spiral）」(= ⾮定常平衡状態）と呼ぶことにした。
- 2013年の夏の学校の招待講演で利⽤した和訳- Dobbs & Baba (2014) review paperで利⽤• ただし、最近は単に「動的渦状腕（dynamic spiral）」と⾔っている。
メトロノーム (振り⼦) の集団同期現象(Youtube)

Synchronized “Swarms” of Stars ?
(Baba et al. 2013)18

see also Michikoshi & Kokubo (2018,2020)

19

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

渦状腕構造論：密度波 vs. 動的渦状腕
̶ 1960年代からの論争 ̶

density wave

dynamic arm

密度波モデル

Dobbs & Baba (2014)

動的渦状腕モデル
ここ10年くらいの⼤きな進展

腕に相対的な軌道 (模式図)

腕を横切る運動

レビュー

腕に収束/発散する運動(⾺蹄型類似軌道)

差動回転により増幅/維持
される動的平衡構造
Baba et al. (2013); Baba (2015)
Grand, Kawata et al. (2012a,b,2015)
Kawata et al. (2014)
Fujii, JB et al. (2011)
Michikoshi & Kokubo (2015,2016,2018,2020)

R < Rcr
R > Rcr© Junichi Baba寿

命：> 1 Gyr

回 転 則 ：剛体回転
星の運動：通過Lin & Shu (1964,1966)
Bertin & Lin (1996)
Shu (2016)~100 Myr (recurrent)
差動回転
収束・発散 (+ migration)
Goldreich & Lynden-Bell (1965) ; Toomre (1981)
Sellwood & Carlberg (1984); Sellwood & Binney (2002)
etc…
20

21

22

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

How do diﬀerent spiral models impact the GMC pop.?
Baba et al.(2017); XC30+ASURA

see also Pettitt et al. 2016 (XC30); Pettitt, Dobbs, JB et al. 2020 (XC50);
Y. Fujimoto et al. 2016, 2019 (XC30)

密度波モデル

アーム周辺のGMCの星形成活動性

GMCのサイズ・質量・速度分散関係

single-side spur

動的渦状腕モデル

diﬀerence in spur morphology

No diﬀerence.

no systematic spur

but, SF/FB models relay on “fudged” sub-grid physics.
HIガス+H2ガス

require realistic physical models
23

ask ⼩林さん、岩崎さん

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20“Disrupting” Perseus arm? (w/ GaiaDR1)

Baba, Kawata, Matsunaga et al. 2018, ApJ

壊れつつあるアーム周辺の若い星粒⼦ (~ 100 Myr) の特異速度

ペルセウス腕周辺の77個のセファイドの特異速度 w/ Gaia DR1Youngerw/ N-body/SPH sim.

git
ta
riu
s

log(P [day])

ASURA + ATERUI

Sa

Ou

ter

Pe
rs
eu

s

Older

アームから発散するSUN

Rotation

ような運動？
Gal. Cent.

- (R0,V0) = (8.2 kpc, 237 km/s)- (Us,Vs,Ws) = (10.1, 11.1, 7.0) km/s
- Spiral arms: Reid et al. 2014 (VLIB astrometry of HMSFRs)

24

simulation (Baba 2015)

The “Stellar” Local arm? (w/ GaiaDR2)
Gaia DR2 X 2MASS
4654 old stars with ~1 Gyr
up to ~1.2 kpc toward the outer Gal.

Σsource/Σdisk

Local arm
Orion “spur”(SF regions, gas)

⼦持ち銀河 M51

spur

25
Miyauchi, Sakai, Kawata, JB et al. 2020, ApJ●：VIBI HMSFRs (Xu et al. 2018)
ー：Gaseous Local Arm (log-spiral)

4. 棒状構造

Baba & Kawata, 2020, MNRAS, 492, 4500
Baba, Kawata & Schonrich, 2020, submitted26⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

First “direct” measurement of the Galactic Bar

Anders et al., 2019, A&A, 628, A94

150M stars (RGs)
Gaia DR2 + Pan-STARRS1バー構造が⾒えた！!

+ 2MASS + AllWISE

https://sci.esa.int/web/gaia/-/61459-gaia-starts-mapping-our-galaxy-s-bar
27

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

現在の動⼒学構造は概ねわかってきたが、形成時期・進化史は不明✓ バーの理解の現状と課題：- 形

状：半⻑径 ~5 kpc、⾓度 〜27°

Boxy/Peanut/X-形状- ⾓ 速 度 ：~40±5 km/s/kpc

Boxy/Peanut/X-shaped(Sanders et al. 2019, Bovy et al. 2019;
Asano, Fujii, JB et al. 2020;
Kawata, JB et al. arXiv:2012.05890)- 形成時期：~2̶8 Gyr ago ???
- 進化過程：BPX形状への遷移時期 ???

WISE 3.4 & 4.6 um (Ness & Lang 2016)

Red Clump 3D map (Wegg & Gerhard 2013)

⾓速度減速率 ???

✓ バー = 円盤銀河の最も強い⾮軸対称構造= 銀河円盤進化を⽀配（太陽系の軌道移動にも関連？？ Baba in prep.）

バー形成：Gaia-Encelauds (銀河合体) イベントに並ぶ「2⼤イベント」の⼀つ
28

約27°

±5
k

pc

→ 銀河円盤の⼤局的な⾓運動量輸送太陽2⼤物質混合イベント

天の川銀河の形成進化史1) Last Major Merger (-> 厚い円盤形成?)（物質混合史）
ハロー形成
厚い円盤形成2) Bar Formation (-> 太陽系/星の軌道移動?){

薄い円盤形成進化

階層的合体成⻑期

棒状構造の形成 → 中⼼核バルジ形成
棒状構造の進化 → inner diskの⾮円運動構造
JASMINE矮⼩銀河摂動 → 銀河⾯震動 (銀震)＝＝＞ 銀河系円盤内の星・太陽系の⼤移動

ガス降着成⻑期

(cold ﬂow)

(hot accretion)

インフレーションビッグバン© 4D2U / J. Baba

現在の銀河系円盤の速度構造(e.g. Kawata, JB et al. 2018)© 4D2U / T.R. Saitoh

Gaia-Enceladusイベント(e.g. Helmi et al. 2018)

Gaia

バー形成イベント~8-10 Ga

Gaia？？？ Ga

© ESA

© ESA

現在のバーのサイズ・回転速度(e.g. Sanders et al. 2019)

太陽系形成© NASA/WMAP Science Team

~4.6 Ga

銀河系円盤内を軌道移動

R~6kpcで誕⽣

R=8kpcに位置

太陽系の進化史
13.8 Gyr29

作成：Junichi Baba

バー形成の「観測的」履歴

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

バー形成：銀河円盤の不安定性などの起因する動⼒学現象
e.g. Sellwood & Wilkinson, 1993, RPPh, 56, 173→ 基本的にはすべての年齢の円盤星が寄与する→ バーの年齢 ≠ バーを構成する星 (e.g. Wozniak 2007)
バーが形成すると銀河にどういう影響を及ぼすのか？
その影響はどのような観測量にどのような「履歴」を残すのか？
N-body/SPHシミュレーション研究が必須
研究例: Baba & Kawata (2020); Baba, Kawata & Schoenrich, submit.

30

N-body simulation of bar formation (Baba 2015)

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

銀河系の”中⼼核ディスク” (中⼼<~200 pc)
WISE 3.4 & 4.6 um (Ness & Lang 2016)

Boxy/Peanut型バルジ(= バー本体を横からみた構造)

銀経 < ±1°(半径 ~ 200 pc)
中⼼核ディスク
Nuclear Stellar Disk (NDS)

たくさんの分⼦ガスなどの星間媒質(CMZ; Morris & Serabyn 1996)

星間減光が⾮常に強い→ Gaia (可視光) では⾒えない→ JASMINE (近⾚外線) が重要

Nishiyama et al. (2013)see also Launhardt et al. (2002)31

バー形成：ガス流⼊→スターバースト→中⼼核ディスク形成
バー形成前

バー形成開始~1Gyrバー形成完了

ガス流⼊

CMZ

ガス流⼊

CMZ

ガス流⼊

CMZ

NSD

バー形成時期≒ 中⼼核バルジ形成時期

ガス流⼊＆スターバースト→ 中⼼核バルジ (CMZ+NSD) の急成⻑
32

JB & Kawata, 2020, MNRASASURA + ATERUI-II

バー形成 (t ~ 1.5 Gyr) 直後からBPXバルジが出現- バー形成”直後”にbar bucklingを経ずにBPXバルジができた ← 速い！
- 鉛直⽅向の軌道共鳴で跳ね上がっている (e.g. Combes et al. 1990; Quillen 2002; Quillen et al. 2014)- 通常、bar bucklingでBPXバルジ形成はバー形成から〜2-3Gyr後 (e.g. Debattista et al. 2006)- 先⾏研究でもN体/ガス系ではbar bucklingが起こらない (e.g. Berentzen et al. 1998, 2007)
バー形成前

t = 1.0 Gyr

バー形成期

t = 1.5 Gyr (= tbar)

バー形成後

t = 2.5 Gyrt = 7.0 Gyr
tbar = 1.5 Gyrelliptical-shape

weak X-shape

BPX-shape

BPX-shape

BPX強度 [kpc]

経過時間 t [Gyr]

SF砂漠

SFR密度

SFリング

SF砂漠

SFリング

SF砂漠

SFリング

buckling強度 [pc]Vバンドマップ

old stars
new stars(from gas)no bar buckling

経過時間 t [Gyr]33

JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.
ASURA+ATERUI-II

バー形成後にバー領域の星形成率は急低下“bar quenching”

see also
Spinoso et al. (2017), Khopeskov et al. (2018)
Donohoe-Keyes et al. (2019)

バー強度 |A2|

バー形成

rst

(see Baba & Kawata 2020a)

starbuSFR [M⦿/yr]

1) 中⼼領域 (R<1 kpc)

バー領域のガスを中⼼に落とす

バー形成時期

2) バー領域 (1<R<4 kpc)

＝ バー形成期/後に誕⽣した星がNSDを占める
2) バー領域のSF停⽌

SF
g
in
ch
en
qu

SFR [M⦿/yr]

tbar = 1.5 Gyr

1) 中⼼スターバースト→ NSD形成→ BPXに跳ね上がる星の減少＝ バー形成前に誕⽣した星がBPXバルジを占める

経過時間 t [Gyr]34

JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.
ASURA+ATERUI-II

バー形成前にバー領域で誕⽣した星がBPXバルジに跳ね上がる
NSD星
中⼼領域<1kpcで誕⽣

バー形成が星形成活動の”分画”を引き起こす(see Baba & Kawata 2020a)

BPX星：バー形成前にバー領域で誕⽣
NSD星：バー形成直後に中⼼領域で誕⽣

BPX星
主にバー領域で誕⽣

R<1.2 kpc, |z|<0.2 kpc|x|<3 kpc, |y|<1.5 kpc, |z|>0.3 kpc|x|<3 kpc, |y|<1.5 kpc, |z|<0.2 kpc

現在

BAR星

バー領域

誕⽣時刻 tbirth [Gyr](=SF砂漠)NSDとBPXは排他的に分布

BAR星

BPX星

NSD星

バー形成期 (tbar)
主にバー形成直後に誕⽣

過去(see Baba & Kawata 2020a)

誕⽣半径 Rbirth [kpc]

主にバー形成前に誕⽣

35

JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.
ASURA+ATERUI-II

バー形成によるガス分布・星形成活動の変化でNSDとBPXの星の年齢分布が相補的
バー形成時期

NSD星

Fraction

0.4

0

BPX星
0.5

0

現在

1) bar-driven gas inﬂow→ nuclear starburst→ NSD形成

NSD

バー形成”期/後”に誕⽣した星

2) bar-driven gas inﬂow

Baba & Kawata 2020, MNRAS→ SF quenching→ BPXに跳ね上がる星の減少

7

6

5

4

3

2

1

星の誕⽣時刻 tbirth [Gyr]0

過去BPX bulge

観測した星がどの銀河構造にバー形成”前”に誕⽣した星属するのかを判別するには、

Baba, Kawata, Schonrich, in prep.

位置・速度情報 (位置天⽂観
測情報) が必要

NSD星とBPX星の年齢分布でバー形成時期を挟み撃ち推定36⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

ATERUI-II x ASURA x 位置天⽂観測

Gaia Science: spiral dynamics, bar dynamics
Sim.: 理論予測・データ解釈に活躍
Baba et al. (2018) ̶ Gaia DR1
Kawata, JB et al. (2019) ̶ Gaia DR2
Kawata, JB et al. (2020) ̶ Gaia EDR3
(Kawata, JB et al. (2018) ̶ Gaia DR2)
(Miyachi, DK, JB et al. (2019) ̶ Gaia DR2 & VLBI)JASMINE Science: bar formation
Sim.: 理論予測
Baba & Kawata (2020)
Baba, Kawata & Schoenrich, submitted(Baba et al. in prep. ̶ Solar migration)37

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

位置天⽂観測からシミュレーション研究への要求
N-body sim.: e.g. Fujii, JB et al. (2018, 2019); ガスなし
Gaiaの⽅が多い！！→ 〜10億粒⼦クラス以上の計算
渦状腕が弱い → ガス/SF⼊り計算

N-body+SPH sim.: e.g. Baba et al. (2017); DMは外場

バーの⻑時間⼒学進化 (bar-DM相互作⽤) → DMをN-bodyで計算
観測は限定された星種族→ SF/FB (e.g. Saitoh & Makino 2009)、ガス降着 (e.g. JB & Kawata 2020)
観測との⽐較情報次元 (位置・速度・年齢 + 元素組成 = 多次元情報）→ 化学進化, chemical tagging e.g. CELib (Saitoh 2017; Hirai & Saitoh 2017)
星種族によって運動状態が異なる (年齢-速度分散関係)→ 分⼦雲スケール程度を分解する分解能 (Kumamoto, JB, Saitoh 2017)
N-body(+SPH) sim.のデメリット = 特定のターゲットを再現するのが⼤変観測から天の川銀河を理解したい → 観測に合う理論 (動⼒学) モデルがほしい→ N-body+M2M法 (ただし、ガスいりの計算には適⽤できない？）
多数のN-body/SPH sim.から機械学習でモデル探査？

Star-by-Star sim.: e.g. “SIRIUS project” (平居、藤井、斎藤）

銀河内での星団形成進化 → 連星分布、星団破壊からフィールド星へ変化→ 無衝突系-衝突系ハイブリッドスキーム ASURA+BIRDGE (Fujii+2021)
Star-by-StarのSF/FBレシピ (e.g. Hirai+2020)38

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

渦状腕動⼒学：星̶ガス相互作⽤の理解は不⼗分
see also レビュー論⽂ Dobbs & Baba, 2014, PASA, 31, 35

arm type
unbarred m=2

起源
バー形成直前(Fujii et al.2018)

barred m=2星円盤のSWA＋バー駆動(e.g. Baba 2015)

tidal m=2

潮汐相互作⽤(e.g. Pettitt et al. 2016)

multi-armed星円盤の局所SWA成⻑(e.g. Fujii et al. 2011; Baba et
al. 2013)

ﬂocculent

ガスの局所的重⼒不安定？
(Mueller & Arnett 1976;
Gerola & Seiden 1978)© Junichi Baba

パターン速度

寿命

ガスの運動と渦状腕維持への役割

Ωspiral ~ const.

~100 Myr？？

Ωspiral=Ω

for R>1.5Rbar(e.g. Baba 2015)

Ωspiral<~Ω
(e.g. Dobbs et al. 2010;
Oh et al. 2015;Pettitt etal. 2016)

Ωspiral=Ω

every radius(e.g. Baba et al. 2013)

Ωspiral=Ω (?)
39~100 Myr(e.g. Baba 2015)~1 Gyr(e.g. Oh et al. 2008;
Struck et al. 2011;
Pettitt et al. 2016)~100 Myr(e.g. Fujii et al. 2011;
Baba et al. 2013)<30 Myr？

渦状腕ポテンシャルの底に集積(Baba et al. 2016)．
渦状腕維持に冷却として重要？？
(Schwarz 1981)
渦状腕の⽚側から流⼊し銀河衝撃波(e.g. Pettitt+2016)．
渦状腕維持に重要？？
渦状腕ポテンシャルの底に集積(Dobbs & Bonnell 2008; Wadaet al. 2011)．渦状腕維持に重要ではない (Fujii, Baba et al.
2011)．

渦状腕形成に本質的？

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

N-body + M2M法

(made-to-measure)

対象の観測量（e.g. 密度分布、視線速度分布）に合うように、N-body
simの各粒⼦の重み（質量）を計算中に徐々に調整する⽅法（Syer & Tremaine 1996; see also de Lorenzi+2007; Hunt & Kawata 2013)

観測量 (e.g. BRAVA,APOGEE,Gaia)

N-body sim.：

Σobs(l,b)、vobs(l,b) … etcΣmodel(l,b)、vmodel(l,b) … etc
χ2を⽐較

初期条件

standard N-bodyN-body + M2M

mi(t) = mi,0

mi(t) = wi(t) mi,0バー構造に対しては応⽤済み(Portail+2015,2017)→ 中⼼核バルジ (JASMINE)
銀河円盤広域への適⽤は今後

χ2〜10
40

χ2〜1
観測にあう動⼒学モデル

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Machine learning of gaseous l-v features(1) 観測にシミュレーションをフィットする- 10年前、⼤量の時系列データを眺め主観できめた。。。
- 観測のl-v図とシミュレーションのl-v図からパターン認識- どのシミュレーションデータが観測に合うかを判別(2) ベストモデルを教師として機械学習- 運動学的距離と実際の距離の関係を学習- 観測データに適⽤し、ガス運の距離を推定→ 分⼦雲の3Dマップ （→ 3D星間減光マップ）

Baba et al. 2010, PASJ
N-body/SPH w/ ASURA+XT-4(2) 教師となるベストモデル

視線速度 VLOS (km/s)

多くの良質なN-body/SPH sim.データが必要
3D分布(1) 多数のsim.と⽐較（パターン認識）

Observed l-v diagram (HI/CO)
e.g. Dame et al. 2001
FUGIN (野辺⼭45m)

銀経 l (deg.)

41

Simulated l-v diagram

様々な
銀河モデル・時刻・観測位置

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Machine learning of gaseous l-v features (2)天体が円運動をすると仮定して距離を推定（運動学的距離法）→ 運動学的距離は⾮円運動などにより〜kpcの系統誤差を⽣じる可能性（観測的宇宙論の⾚⽅偏移空間の”Finge-of-God”と類似の現象; Baba+2009）
N-body/SPH simulation“Pseudo-observation” of the sim.

実距離分布

運動学的距離分布

関係を「学習」

Baba et al. 2009, ApJ
42 ASURA + XT-4

まとめ ̶ 位置天⽂学観測の⽴場から

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20★ 科学的意義：天の川銀河 = 太陽系と直接的につながる唯⼀無⼆の銀河
太陽系の起源 ”3W1H” (Where, What, When, How) ＝ 銀河円盤の「物質混合」問題→ 渦状腕・棒状構造などの⾮軸対称動⼒学の理解が本質的に重要★ Gaia+⼤規模分光サーベイによる天の川銀河研究の⾰新

広域 (>5 kpc) に亘る数億個の星の6D位相空間情報 = “observed” N-body data!
→ 星の軌道推定 (e.g. action-angle)、年齢推定精度の向上、⾼精度元素組成情報 (多次元)★ Powers of ATERUI x ASURA

渦状腕構造の新たなパラダイム構築 (動的渦状腕モデル; Baba+2013) に貢献→ 「定常・平衡」から「⾮定常・⾮平衡」へ (“複雑系”銀河物理学!?)
Gaiaの ”observed” N-bodyの予測・解釈に貢献
JASMINE銀河中⼼考古学の開拓 = 「中⼼核バルジ」から天の川銀河の歴史を紐解く★ シミュレーション研究への期待(= Gaiaで観えない領域)

すべての星種族を観測できない; 星団形成→破壊→ﬁeld星・連星分布の予測→ SF/FB/化学進化/ガス降着を考慮した超⾼分解能 (<1 pc; ~1 Msun）計算
ASURA x BRIDGE; SIRIUS Project (Hirai, Fujii, Saitoh) に期待

観測データにシミュレーションをフィットする（観測から動⼒学モデルを構築する）→ N-body+M2M法
機械学習法などによるモデル探査 (多数の良質なシミュレーションが必須)
43

補⾜資料

44

余談

渦状腕研究の”再”ブーム~1960s: 渦状腕構造論黎明期 (B. Lindblad, J. Oort)

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

2010年頃以降の主な論⽂

1960s~70s: 線形理論 (密度波理論1964/銀河衝撃波理論 1969) Hydrodynamic simulations※ 70s⽇本でも多くの理論研究 (藤本、祖⽗江、⼟佐…/家、野⼝、⻘⽊…)

Wada & Koda 2004; Wada 2008 (和⽥桂⼀)

1980s：先駆的なN体計算 (J. Sellwood)
1990s~2000s：渦状腕研究 (銀河⼒学研究) の氷河期？

Kim, W-T. & Ostriker 2002,2006,
Dobbs & Bonnell 2006, 2007, 2008
Dobbs & Pringle 2009, 20102010s：N体/流体計算による再ブーム“準定常”密度波理論 (Lin & Shu 1964) の被引⽤数 (907件 2020/11/07)
Dobbs & Baba (2014)
review paper

Dobbs et al. 2011a, 2011b, 2012, 2014
Pettitt, Dobbs, JB, et al. 2020...etcN-body/hydrodynamic simulations
Baba et al. 2009,2010,2013,2015,2016
Fujii, JB et al. 2011 (藤井通⼦)

Galactic shock theory
Fujimoto 1968 (藤本光昭)
Roberts 1969

Wada, JB et al. 2011

Global Stability

Grand et al. 2012a,b,2013,2014

Iye 1979 (家 正則)
Aoki, Noguchi (野⼝正史), Iye 1979

D'Onghia et al. 2013
Kumamoto & Noguchi 2016

N-body simulations

Sellwood 2010,2011,2012…

Sellwood & Carlberg (1984)

Sellwood & Carlberg 2014, 2019, 2020...etcObservational tests
Baba et al. 2018 (w/ Gaia)
Toomre (1977)ʼs review paper

Bertin & Lin (1996)ʼs

before I was borntext book45

Miyachi, incl. JB 2019 (w/ Gaia)
many papers.

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

expected azimuthal oﬀset star-gas

Baba et al. 2015, PASJ

⊿φ(R) ∝ R
ガスは半径に応じて”系統的”にarmから

密度波モデル

動的渦状腕モデルASURA + ATERUI⊿φ(R) ~ 0
どの半径でもガスは
ほぼarmの底に分布

オフセットして分布

銀河中⼼からの距離 R [kp]ただし、局所的(<~kpc)な
oﬀsetは⽣じ得る

stellar arm位置を基準とした相対⽅位⾓ ⊿φ [°]46

参考 位置天⽂観測衛星: Hipparcos, Gaia, JASMNE

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20→ end 2022 (approved)→ end 2025 (indicative)

47

千葉, “銀河考古学”, 2015, 表8.1

quick reviews

A dynamically young and perturbed Milky Way disk
Kawata, JB et al. 2018, MNRAS

Antoja et al., Nature, 561, 360, (2018)
Phase snail (Phase spiral)

see also Schonrich ＆Dehnen 2018; Fricke & Schonrich 2019vz = 0z⽅向の星の振動にコヒーレントな運動の痕跡→ 銀河円盤は鉛直⽅向 (少し斜め) に殴られた？

Vz [km/s]

Vz [km/s]

wavy? increasing? “kinematic” warping?

銀河中⼼距離 R [kpc]z [kpc]銀河円盤は最近 (<~ 0.5-1 Gyr)、
Sgr. Dwarf銀河の近点通過の影響か？(e.g. Laporte et al. 2018)48
棒状構造 (バー) のbucking運動の痕跡か？(Khoperskov
et al. 2018)→ 銀震学 (Galactic Seismology)

quick reviews

MACHINE-LEARNING TECHNIQUES REVEAL HUNDREDS
OF OPEN CLUSTERS IN GAIA DATA

>2,000 open clusters:~1,200 open clusters conﬁrmed by Gaia
582 “new" open clusters identiﬁed via a machine learning method
Previously known open clusters are shown with red dots (left) orwith the density map in red (right) (Cantat-Gaudin et al.
2018, 2019a and Castro-Ginard et al 2018, 2019). The black dots
represent the newly found open clusters (Castro-Ginard et al. 2020)

JASMINEプロジェクトでの研究：
運動の積分 (作⽤積分) 空間でのクラスタリング探査で、より時間が破壊から経過した星団も探査できるはず̶ GRAPEで星団破壊シミュレーション (2019年度修論) 49
̶ 作⽤積分空間でのクラスタリングの機械学習探査 (進⾏中)→ 太陽系⺟星団 (太陽兄弟星) の残骸が⾒つかるか？？
→ 銀河中⼼領域へも応⽤できるか？？

Castro-Ginard et al., A&A, 618, A59, (2018)
Castro-Ginard et al., A&A, 627, A35, (2019)
Castro-Ginard et al., A&A, 635, A45, (2020)
https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/iow_20200514

5. ⾚外線位置天⽂観測衛星

JASMINE公式ページをリニューアルしました!！(2021/1/15)
http://jasmine.nao.ac.jp/
50

Gaia (可視光)
太陽近傍星- 広域のハロー星

JASMINE (近⾚外線)

-

© ESA

バルジ/バーの上層部- 銀河円盤上層部-

相補的(太陽近傍星)- 中⼼核バルジ--

銀河円盤⾯、特にinner disk

Gaia DR2 (2018)
ESA/Gaia/DPAC(銀河考古学)

1. ハローの構造・形成史
2. 太陽近傍の銀河円盤の速度構造
3. バーのサイズ・回転速度}

銀河中⼼考古学
1. 中⼼核バルジの構造
2. 中⼼核バルジの形成史
3. 銀河円盤広域の速度構造
銀震学

Sun

51
⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

⾚外線位置天⽂観測衛星「JASMNE」
PI: 郷⽥直輝 (国⽴天⽂台)
⽇本独⾃の衛星計画 & ⽇本初の位置天⽂観測衛星
概要：✓ 宇宙空間に天⽂観測衛星を打ち上げて3年間の観測 (2020年代後半打ち上げ)✓ ⾚外線波⻑で観測 (1.1 - 1.7μmの近⾚外線波⻑ Hwバンド TBD)

- Gaia (ESA) が不得意な星間減光の強い銀河中⼼領域や銀河円盤⾯の観測に優位✓ 銀河系中⼼部 (銀河中⼼核バルジ) の星までの25μ秒⾓精度で測定- 年周視差<25μas & 固有運動<25μas/yr for Hw < 12.5 mag

約12,000 個 のうちバルジ星 7,000個 (5,000 in Region-1, 3,000 in Region-2)- 固有運動<125μas/yr for 12.5< Hw <15 mag.

約86,000 個 のうちバルジ星 67,000個 (45,000 in Region-1, 26,000 in Region-2)- 多数枚の撮像データを合成し星の位置精度を向上

⼀⽇で 320回の撮影x16領域、1シーズン90⽇間で約 46 万枚✓ 観測結果を位置天⽂カタログとして広く⼀般公開 (2030年頃) ← 10年後52

>100億年前

天の川銀河の種が誕⽣
インフレーション
ビッグバン

現在

時期︖︖︖

バー構造の出現

出現前

約10億年

出現後

天の川銀河全体への影響

太陽系が内部から外側に⼤きく移動を開始（︕?）
気候変動?
⽣命進化?
⼈類誕⽣?

原始銀河の
階層的合体成⻑年

億
約30→ 分野横断型
学際研究へ発展
内部バー形成⇒巨⼤BH成⻑⇒内部バー消失︖

古典的
バルジ

0
約4
銀河中⼼考古学イベント①

中⼼部での最初の星形成

è 古典的バルジ形成（現在も中⼼部に残存︖）

巨⼤BHの合体成⻑︖

c0p

銀河中⼼考古学イベント②

銀河中⼼考古学イベント③

中⼼核ディスクの不安定性
è 爆発的星形成（スターバースト）
è 内部バー形成
è 中⼼核ディスク形成
è 巨⼤BHへのガス供給(バーの年齢 ≒ 中⼼核ディスク年齢) è 内部バーの破壊︖（共進化︖）
バー形成による急激なガス流⼊53

中⼼核バルジの星の位置・速度の観測から
3⼤イベントの解明を⽬指す。
© Junichi Baba, 2020

The Galaxy in the Context

Bland-Hawthorn & Gerhard, ARA&A, 54, 529, (2016)

Licquia et al. 2015log (星形成率/M◉ yr-1)

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

blue cloud(~spiral gal.)

n
e
e
r
g

光の三原⾊

天の川銀河

lle
a
v

銀河系はblue cloudから
red sequenceに進化(SF quenching) する過程にある銀河か？？

yメカニズムの理解
red sequence AGN feedback?
(〜S0/E gal.) バー形成？(bar quenching)その他？

log (星質量/M◉)
54

JASMINE Consortium

2019年8⽉⽴ち上げ

Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration(赤外線位置天文観測衛星)

https://sites.google.com/site/smalljasmineconsortium2019/home
この度、JAXA宇宙科学研究所により「JASMINE (⼩型JASMINE)」が公募型⼩型計画宇宙科学ミッション３号機（2020年代半ば打ち上げ予定）に選定されました。JASMINEは、世界で初めて近⾚外線 (Hw-band) での
位置天⽂測定を宇宙で⾏う衛星で、銀河中⼼核バルジ領域 (R<~200 pc)の様々な年齢の星の分布と運動を詳細に測定することにより、銀河系全体の進化形成史を理解する上での核となる銀河中⼼領域の進化の歴史を読み解く
ことと、低温星周りの⽣命存在可能領域の惑星の探査を主な科学⽬標（キープロジェクト）としています。
銀河中⼼考古学の⽬標精度は、Hw<12.5 mag の天体で25 μasの年周視差精度、Hw<15 mag の天体で125 μas/yr の固有運動精度です。最近のGaia 衛星の成果に代表されるように、位置天⽂データは、新たな次元のデータを提供するものであり、主な⽬標以外にもデータを多くのサイエンスにも応⽤できるはずで、さらに銀河中⼼領域⽅向以外の興味深い天体をターゲットにすることも可能です。このように国内の多くのサイエンスコミュニ
ティーにとって有益なデータを提供していきたいと考えております。
JASMINEプロジェクトでは、JASMINEの科学⽬標を達成し、創出される
55
データをより多くの科学者にとって有益なものとするためには、その⽬標を共有するコンソーシアムが必要ということで、JASMINE Consortium (JC)を発⾜することにしました。

JASMINE Consortium

JC Website

Constats:
milkyway.bulge.ws@gmail.com(Daisuke Kawata, Junichi Baba)

JC Working Groups

Working Groupに参加して活動したい⼈は、
オフィシャルサイトにアクセスし、参加登録を！

ミッション⽬標に向けたより多くのサイエンスに有益なカタログ作りの準備 (WG-A) 、科学⽬標達成に向けてのシミュレーションデータなどを使っての準備 (WG-B)、JASMINEの成果を広く社会に還元するためのアウトリーチ活動 (WG-C) を⽬的とします。

• WG-A Data Analysis (lead by Yoshiyuki Yamada)

JASMINE end-to-end simulation◦ WGA-1: System Architecture◦ WGA-2: Data Analysis and Validation (end-to-end simulation working group)- Input Catalogue, Image Simulator, Astrometry and Time Series Photometry◦ WGA-3: Data Archive- Including collecting spectroscopic data, Cross-match, Stellar Parameters

サイト右端の「Join」をクリック• WG-B Science Validation and Preparation (lead by Daisuke Kawata)◦ WGB-1: Galactic Center Archaeology 銀河中⼼考古学- Galaxy formation and evolution, IMBHs, Star-forming regions, Compact objets,◦

Variable stars, Binaries, Microlensing, Seismology
WGB-2: Exoplanets 系外惑星探査- Transit, microlensing, astrometry exoplanet detection + Solar system objects.

• WG-C Outreach (lead by Elizabeth Tasker)

衛星打ち上げ後は、準備した体制を元に、データ公開に向けて、データカタログ、Science Validation の論⽂などの作成に携わって頂きます。打ち上げ前の準備の段階でも、シミュレーションデータや、Gaia などのすでに存在するデータを使って科学的検証をする必要があるので、多くの論⽂が発表できるはずです。アーリーキャリアの⽅達にも多く参加して頂いて、衛星プロジェクトへの貢献を通して、キャリア形成に繋げていただきたいです。また、その⽀援もコンソーシアムとして⾏なっていきたいと思います。
56

Review Papers

⾺場淳⼀＠CfCA UM 2021/1/20

Dynamics/Formation/Evolution of the Milky Way• Bland-Hawthorn & Gerhard, 2016, ARA&A, 54, 529- 天の川銀河構造に関する包括的なレビュー。ただし、Gaia以前の結果。

• Barbuy, Chiappini & Gerhard, 2018, ARA&A, 56, 223- バルジの化学動⼒学進化に関するレビュー。近年の⼤規模サーベイによる進展を含む。

• Helmi, 2020, ARA&A, 58, 205- ハロー（streams/substructures) に関するレビュー。Gaia DR2による進展を含む。

• Shen & Zheng, 2020, RAA, 20, 10- 天の川銀河の棒状構造・渦状腕の動⼒学に関するレビュー。

Galactic Dynamics (Bars/Spirals; in general)• Sellwood & Wilkinson, 1993, RPPh, 56, 173- バーの動⼒学に関するレビュー。やや古いが本質的。

• Sellwood, 2014, RvMP, 86, 1- バー不安定とsecular evolutionの包括的レビュー。

• Dobbs & Baba, 2014, PASA, 31, 35- 近年の数値計算に基づく渦状腕の動⼒学に関するレビュー。

教科書• Binney & Tremaine, “Galactic Dynamics”, 2007
• 千葉柾司, “銀河考古学”, 2015
58