2022/9/15 ⽇本天⽂学会2022秋季年会

企画セッション「銀河系中⼼研究の新展開」

Z315r講演 (20分+4分)：

位置天⽂観測による

天の川銀河バルジの複合構造の理解の現状と展望
JASMINE

Gaia

1. 位置天⽂観測とJASMINEの概要
2. バルジの複合構造の理解の現状

The Gaiaʼs Sky (ESA/DPAC)

3. バー形成による複合バルジの形成：理論

The “Simulated” Milky Way(Baba, Saitoh et al. 2017, MNRAS, 464, 246)

4. JASMINEによる検証

国⽴天⽂台CfCA

⾺場 淳⼀

スーパーコンピュータ アテルイ/アテルイ II

国⽴天⽂台 JASMINEプロジェクト

1⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

企画セッション Z2「JASMINE」9/13 (⽕) ~ 14 (⽔)
郷⽥直輝 (r講演) JASMINE計画
⽚坐宏⼀ (a講演) JASMINEのシステム概要

JASMINE プロジェクト

⼭⽥良透 (a講演) JASMINEのデータ解析
⽮野太平 (c講演) JASMINE の観測波⻑と観測データについての⾒直し検討
⿅野良平 (c講演) JASMINE・カメラシステムの開発検討
⿅島伸悟 (c講演)
磯部直樹 (c講演)

JASMINE 望遠鏡光学系:変遷と現在ノミナルモデル
JASMINE衛星の運⽤・地上系の概念検討

JASMINEプロジェクトの進捗報告の講演スライド2

スペース位置天⽂観測による天の川銀河研究の進展
実際の観測データに基づき天の川銀河広域の詳細な科学研究が可能な時代に

Hipparcos (1989~1992)
可視光

Gaia (2013~2025?)

30年前

質~100倍量~10000倍

約1ミリ秒⾓
約12万個 ESA

可視光

現在

約0.01ミリ秒⾓
約15億個

ESA

DR1 (2016/9)

Sun

国⽴天⽂台
2028~2031
⾚外線 (世界初)

2045??
⾚外線
ESA

DR2 (2018/4/25)
EDR3 (2020/12/3)⊿ϖ ~ 25 μas; ⊿μ ~ 25 μas/yr
LOS vel. (RVS)
DR3 (2022/6/12) ← 今ココ
Final (TBD)

courtesy X. Luri and A. Robin
Rix & Bovy, A&ARv, 21, 61, (2013)⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

2022年秋季年会 企画セッション Z2 「JASMINE」

4

郷⽥講演資料⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

JASMINE “White Paper”
To be submitted in 2022
authors: D. Kawata, H. Kawahara, N. Gouda et al. (JASMINE team + science community)
銀河系中⼼考古学（位置天⽂観測）

系外惑星探査（⾼精度測光観測）

2. Galactic Center Survey (GCS): Galactic Center
3. Exoplanet Survey (EPS)Archaeology
3.1 Transiting Planet Survey around Late-type
2.1 Kinematics and History of the Nuclear Star Cluster
Stars
2.2 SMBH Formation History
3.2 Follow-up Characterization from Space
2.3 The Nuclear Stellar Disk, Inner Bar and young star
3.3 Searching for Young Planets
clusters
3.4 Stellar spin-down relations from young
cluster observations
2.4 Nuclear Stellar Disk: The formation epoch of the
Galactic Bar and the Sun’s birth radius
3.5 Photometric Variability of Brown Dwarfs
2.5 Nuclear Stellar Disk: A Link to the high redshift
3.6 NIR Photometry by JASMINE
progenitors
3.7 Exoplanet Microlensing
2.6 Inner disk: spiral arms and Galactoseismology
3.8 Astrometric Planet Survey
4. Mission and Instrument Concept
星形成領域サーベイ…
5. Other Potential Science Cases X線連星 など
5.1 Galactic Mid-Plane Survey (GMPS)
5.2 X-ray Binaries
5.3 Complementary Sciences with the GCS data
6. Synergies with the other projects…
5⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

JASMINE “White Paper”
To be submitted in 2022
authors: D. Kawata, H. Kawahara, N. Gouda et al. (JASMINE team + science community)
銀河系中⼼考古学（位置天⽂観測）

系外惑星探査（⾼精度測光観測）

2. Galactic Center Survey (GCS): Galactic Center
3. Exoplanet Survey (EPS)Archaeology
3.1 Transiting Planet Survey around Late-type
2.1 Kinematics and History of the Nuclear Star Cluster
Stars
2.2 SMBH Formation History
3.2 Follow-up Characterization from Space
2.3 The Nuclear Stellar Disk, Inner Bar and young
3.3 Searching for Young Planetsstar clusters
3.4 Stellar spin-down relations from young
cluster observations
2.4 Nuclear Stellar Disk: The formation epoch of
the Galactic Bar and the Sun’s birth radius
3.5 Photometric Variability of Brown Dwarfs
2.5 Nuclear Stellar Disk: A Link to the high redshift
3.6 NIR Photometry by JASMINE
progenitors
3.7 Exoplanet Microlensing
2.6 Inner disk: spiral arms and Galactoseismology
3.8 Astrometric Planet Survey
4. Mission and Instrument Concept
星形成領域サーベイ…
今回の⾺場の講演
5. Other Potential Science Cases X線連星 など
はここがメイン
5.1 Galactic Mid-Plane Survey (GMPS)
時間があれば
5.2 X-ray Binaries
この話題も少し
5.3 Complementary Sciences with the GCS data
個⼈的にはここがメインだが、6. Synergies with the other projects…
話題が違うので割愛
6

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

天の川銀河「バルジ」の複合構造
Boxy/Peanut型バルジ

BPバルジ = バルジ。実質的にバーの3D構造

WISE 3.4 & 4.6 um(Ness & Lang 2016)

中⼼核ディスク = R<200 pcの円盤状バルジ
古典バルジ = 楕円銀河のミニチュアのバルジ
観測的には未確認（< 8%xディスク質量）

バルジ領域の種族合成モデル (Z321b 越本)

銀経 < ±1°(半径 ~ 200 pc)
午後のセッション
Nishiyama et al. (2013)

中⼼核ディスク (NSD)
質量〜109 Msun (e.g. Sormani et al. 2020, 2021)
半径〜250 pc (Laundhardt et al. 2002)
厚さ〜45 pc (Nishiyama et al. 2013)
回転運動 (Matsunaga et al. 2015; Schoenrich et al. 2015)
⾦属量〜0.1 dex (Schultheis et al. 2021)
年齢〜8 Gyr??? (e.g. Nogueral-Lara et al. 2020, 2021)

中⼼分⼦雲帯 (CMZ)
質量〜4x107 Msun (e.g. Ferriere et al. 2007)
半径〜300 pc (Morrison & Serabyn 1996)
SFR〜0.07 Msun/yr (Henshaw et al. arXiv:2203.11223)
降着率〜0.8 Msun/yr (Hatchﬁeld et al. 2021)

7⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

中⼼核星団 (Nuclear Star Cluster; NSC) ~ 5 pc
WISE 3.4 & 4.6 um(Ness & Lang 2016)

中⼼核星団 (NSC)
質量〜1.8x107Msun(Chatzopoulos et al. 2015)

半径〜4.2 pc

銀経 < ±1°(Schodel et al. 2014)(半径 ~ 200 pc)

Nishiyama et al. (2013)

中⼼核ディスク (NSD)
質量〜109 Msun (e.g. Sormani et al. 2020, 2021)
半径〜250 pc (Laundhardt et al. 2002)
厚さ〜45 pc (Nishiyama et al. 2013)
回転運動 (Matsunaga et al. 2015; Schoenrich et al. 2015)
⾦属量〜0.1 dex (Schultheis et al. 2021)
年齢〜8 Gyr??? (e.g. Nogueral-Lara et al. 2020, 2021)

8⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Sgr A*周辺 < 5 pc
WISE 3.4 & 4.6 um(Ness & Lang 2016)

中⼼核星団 (NSC)
質量〜1.8x107Msun(Chatzopoulos et al. 2015)

半径〜4.2 pc

銀経 < ±1°(Schodel et al. 2014)(半径 ~ 200 pc)

Nishiyama et al. (2013)

銀河系中⼼
R<5 pcSgr A* (SMBH)
Circum Nuclear Disk (CND)…etc
Alexander (2017)

中⼼核ディスク (NSD)
質量〜109 Msun (e.g. Sormani et al. 2020, 2021)
半径〜250 pc (Laundhardt et al. 2002)
厚さ〜45 pc (Nishiyama et al. 2013)
回転運動 (Matsunaga et al. 2015; Schoenrich et al. 2015)
⾦属量〜0.1 dex (Schultheis et al. 2021)
年齢〜8 Gyr??? (e.g. Nogueral-Lara et al. 2020, 2021)

9

Sgr A*周辺の恒星系⼒学の理論 (Z317a 船渡; Z320b 堀⼝)
Sgr A*周辺の星の運動の観測 (Z318a 鈴⽊⻯⼆; Z319b ⻄⼭)

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

3D Structure of the Galactic “Bulge”
Blitz & Spergel 1991
Nakada et al. 1991

Boxy/Peanut型バルジ= バー構造（の⼀部）が膨らんだ⼒学構造
e.g. Combes & Sanders (1981); Bureau & Freeman (1999)

Boxy/Peanut-shaped
WISE 3.4 & 4.6 um (Ness & Lang 2016)

BPX bulge + long thin bar

pc

NGC5746

±2
.5
k

±5
k

pc

（+ super thin bar）

VVVサーベイなどによる
Red Clump星 (=Standard candle)の⼤規模な⾼精度測光データ

約25~30°VVV Red Clump 3D map
w/ 8-fold symmetry(Wegg & Gerhard 2013)& M2M modeling(Portail et al. 2015; 2017a,b)

VVV Red Clump 3D map w/o any symmetry＝＞ ⾮対称なバー構造 (＝＞ 奇数モードの共鳴)
Paterson et al. (2020); Coleman et al. (2020)

10天の川銀河は「棒状」渦巻銀河である

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

150M stars (RGs); Gaia DR2 + Pan-STARRS1 + 2MASS + AllWISE

想像図
https://sci.esa.int/web/gaia/-/61459-gaiastarts-mapping-our-galaxy-s-bar

a remarkable “bisymmetric” feature
on both sides of the GC, withnegative and positive values on eachside of the apparent barʼs major axis.

11

Gaia Colab., Drimmel et al., 2022, A&A (in press)
RGB stars

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Kinematics of the Galactic Bar: Current Pattern Speed
Pre-Gaia (<2016)
Dehnen (1999, 2000)

Clarke & Gerhard (2022) MNRAS, 512, 2171
太陽近傍星の運動 (Lindblad共鳴)← バルジ星視線速度のM2Mモデリング
バルジ星のTremaine-Weinberg法
Asano, Fujii, JB et al.2020
Kawata, JB et al.2021

朝野哲郎 (東⼤)ディスク星の運動 (共鳴)千葉凜平 (Oxford)← Portail et al. 2017 (M2M) ポテンシャルでの流体計算
バーのLindblad共鳴位置はディスク星の運動

CR

OLR(m=2)

Ωb〜35 km/s/kpc
i.e. 回転周期〜180 Myr

Rbirth,⦿太陽位置
12（銀河円盤の構造 e.g. 渦状腕）の理解に重要⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

棒状構造（バー）：銀河円盤広域の⼒学変動に影響
バーはいつ形成されたのか？
バーはどのように進化（e.g. 減速）してきたのか？
バー形成時期、減速率を観測データから得るには？
→ 数値シミュレーションで調べる
国⽴天⽂台CfCAからのWEBプレスリリース (9/9⾦)

国⽴天⽂台CfCA
スーパーコンピュータ「アテルイ II」

X

並列N体/SPH法コード「ASURA」(神⼾⼤ 斎藤貴之; e.g. Saitoh et al. 2008)

天の川銀河の変動史

動画：スーパーコンピュータ「アテルイII」のシミュレーションによって描き出された天の川銀河の棒状構造の進化の様子。映像中の「1 Gyr」 は「10 億年」を表す。
（クレジット：馬場淳一、中山弘敬、国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクト）

可視化：中⼭弘敬 (4D2U)

図1：スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」のシミュレーションによって描き出された天の川銀河の姿。 （クレジット：馬場淳一、
中山弘敬、国立天文台 4 次元デジタル宇宙プロジェクト）

13

acknowledge：CfCA広報 福⼠さん

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

現象① バー形成→ガス降着→中⼼核ディスクの形成 SMBHへのガス降着過程
バー形成期

see also e.g. Friedli & Benz (1993)

バー形成→ 中⼼~100pcにガス流⼊ (CMZ形成)NGC1097→ 活発な星形成 (星形成リング）→ 中⼼核ディスク形成

バー強度 |A2|

Baba & Kawata, 2020, MNRAS

バー形成期に最もガス流⼊・星形成

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/

バー形成前

Telescopet = 2.0 Gyr

Mass(<1kpc) [M⦿]t = 1.5 Gyr〜1Gyr

NRAO), K. Onishi (SOKENDAI),
NASA/ESA Hubble Space

星形成による
急成⻑

Classical Bulge

NSD
CMZ

星形成による消費

NSD

SFR(<1kpc) [M⦿/yr]

t = 1.0 Gyr

バー形成後（Z316a 松井講演)

CMZ

14

中⼼~100 pcスターバスト→ NSD形成

経過時間 t [Gyr]⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

現象②：バー領域のガス枯渇によるSF停⽌
Baba, Kawata & Schoenrich (2022)

see also Martin & Friedli (1997); Donohoe-Keyes et al. (2019)
バー形成前

t = 1.0 Gyr

t = 1.5 Gyr

バー形成後

t = 2.5 Gyr

ガス分布の再分配
星形成活動領域の”分画化"

星分布＋ダークレーン

SF砂漠

15

starbuバー領域 (1<R<4 kpc)

g
in
ch
en
qu

SFR密度

SFリング
(CMZ/NSD)

間⽋的SF活動SF

SFR [M⦿/yr]

rst

中⼼領域 (R<1 kpc)

SF砂漠化

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

現象③：バー領域の鉛直軌道共鳴によるバルジ化

Bucklingを経ずにBPバルジ化

BPX強度 [kpc]

バー形成期/直後に上下対称にピーナッツ化
t = 1.0 Gyr (バー形成前)

楕円形状

old stars

new stars(from gas)

buckling強度 [pc]t = 1.5 Gyr (バー形成期)

weak X-shapet = 2.5 Gyr (バー形成後)

no bar buckling

経過時間 t [Gyr]〜1GyrBPX-shape

バー領域で誕⽣した星がバーとの鉛直Lindblad共鳴に散乱(vertical Inner Lindblad resonance)
Baba, Kawata & Schoenrich (2022)

16

SFR [M⦿/yr]

バー領域 (1<R<4 kpc)

経過時間 t [Gyr]BPバルジとNSDの相補的な星の年齢頻度分布（予測）BPX bulge

NSD

バー形成期/前にバー形成期/後に

誕⽣した星

誕⽣した星

Baba, Kawata, Schonrich (2022)

Baba & Kawata 2020, MNRAS

NSD星

0.4

切り分けるのかが課題
e.g. 全景の銀河円盤星、NSDとオーバラップする古いディス

Fraction

観測的にどのように
0

BPX星

0.5

ク成分・古典バルジ成分
0

現在

0

1

2

3

4

5

6

lookback time 星の誕⽣時刻 tbirth [Gyr]7過去⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Mock Observation：BPバルジとNSDの相補的年齢分布
バルジ領域の星BPバルジ領域の星

中⼼核バルジ領域の星

中⼼核ディスクの星|GLon|<20 deg.
|D-R0|<2.5 kpc& |D-R0|>0.5 kpc& |z|>1.2 kpc|GLon|<5 deg.
|D-R0|<0.5 kpc& |Vlos-Vcir|<70 km/s
& |Vz|< 30 km/s

w/o kinematics

w/ kinematics

ピーク年齢

ピーク年齢

>バー年齢

<バー年齢

バー形成前に中⼼核バルジ領域に存在した⼒学的に熱い恒星系成分が落ちる
18

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

MW bar formed around ~7 Gyr ago?
ミラ型変光星の周期年齢関係→NSD星の年齢分布
PRIME望遠鏡によるミラ探査 (Z205a 松永講演)
PRIME望遠鏡 (Z322b 鈴⽊⼤介)

中⼼核バルジ領域の星

中⼼核ディスクの星|GLon|<5 deg.
|D-R0|<0.5 kpc& |Vlos-Vcir|<70 km/s
& |vz|< 30 km/s

NSD Mira variables w/o kinematics

Sanders, Matsunaga, Kawata et al. (2022)

w/o kinematics

w/ kinematics

太陽系形成
dip???

速度情報を考慮してNSD星をバー形成???

選ぶと消えるのでは？

バー形成前に中⼼核バルジ領域に存在した⼒学的に熱い恒星系成分が落ちる

19⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証~6 Gyr aged MW inner ring ??

Wylie, Clarke & Gerhard (2022)

APOGEE starsをM2M barred potential (Portail et al. 2017) で軌道計算
1Myr刻みの軌道出⼒をプロット → bar end付近にリング構造 (inner ring) が⾒えた
inner ring = バーによって⽣じる構造 → バー年齢の指標 (Fragkoudi et al. 2020)MWʼs bar age >~ inner ring age ~ 6 Gyr

inner ring

M94
MWʼs inner ring??

20

HST

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

JASMINE “White Paper”
To be submitted in 2022
authors: D. Kawata, H. Kawahara, N. Gouda et al. (JASMINE team + science community)
銀河系中⼼考古学（位置天⽂観測）

系外惑星探査（⾼精度測光観測）

2. Galactic Center Survey (GCS): Galactic Center
3. Exoplanet Survey (EPS)Archaeology
3.1 Transiting Planet Survey around Late-type
2.1 Kinematics and History of the Nuclear Star Cluster
Stars
2.2 SMBH Formation History
3.2 Follow-up Characterization from Space
2.3 The Nuclear Stellar Disk, Inner Bar and young
3.3 Searching for Young Planetsstar clusters
3.4 Stellar spin-down relations from young
cluster observations
2.4 Nuclear Stellar Disk: The formation epoch of
the Galactic Bar and the Sun’s birth radius
3.5 Photometric Variability of Brown Dwarfs
2.5 Nuclear Stellar Disk: A Link to the high redshift
3.6 NIR Photometry by JASMINE
progenitors
3.7 Exoplanet Microlensing
2.6 Inner disk: spiral arms and Galactoseismology
3.8 Astrometric Planet Survey
4. Mission and Instrument Concept…
今回の⾺場の講演
5. Other Potential Science Cases
はここがメイン
5.1 Galactic Mid-Plane Survey (GMPS)
この話題も少し
5.2 X-ray Binaries
5.3 Complementary Sciences with the GCS data
6. Synergies with the other projects…
21⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証 5. ガス供給過程

銀河スケールからSMBHへのガス降着：内部バーが必要？
SMBHへのガス降着過程（Z316a 松井講演)

WISE 3.4 & 4.6 um(Ness & Lang 2016)

中⼼核星団 R~5pc
Schodel et al. (2014)

kpcスケール

pcスケール？
？
すーバ

中⼼核ディスク R~200 pc

余

で

落と
で
ar)
ー

！

裕

バ ry
部
da
内
(se

銀河系中⼼ R<5 pc
auスケールbncoNishiyama et al. (2013)

R~100 pcスケールに溜まる
ガスリング (CMZ)星形成リング (NSD?)

1
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Onishi(SOKENDAI), NASA/ESA Hubble Space Telescope

22

Alexander (2017)

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証 5. ガス供給過程

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

バー形成期のCMZのガス・星団の運動
eli
r
P

m

ry バー形成期には⼀気にガスが流れ込み、活発な星形成 → フィードバックが起こる
ani

激しいガス流⼊と活発な星形成フィードバックによるCMZは激しい乱流状態、複雑な空間構造
内部バーが存在しなくても簡単にR<10 pcまでガスが落ちる (e.g. Wada et al. 2009)
バーポテンシャル（外場）

ガス密度分布

星密度分布

現在：ASURAコードでSSP近似限界の300M◉質量分解能計算 (アテルイII 256コア、~2 days）
今後：SMBH (sink粒⼦) 計算、ASURA+Bridgeコードで<10M◉質量分解能計算→ CMZ/NSD領域の⼤質量星団形成・破壊の理解 w/ 藤井通⼦ (東⼤)、斎藤貴之 (神⼾⼤) et al.
23

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

まとめ

天の川銀河の「バルジ」とは？

＝「ピーナッツ型バルジ (BPX)」＋「中⼼核バルジ (NSD)」（＋「古典バルジ」）の複合構造
基本的にバー起源の構造 → バー形成進化の理解が必須
バー形成は銀河系円盤の⼤局的な進化を⽀配する重要なイベント

バー形成による複合バルジ形成 (Baba & Kawata 2020; Baba et al. 2022){

現象①：バー形成 → ガス流⼊・スターバスト → 中⼼核ディスク形成
星形成活動領域の分画化
現象②：バー形成 → バー領域のガス枯渇 → 星形成の急停⽌現象③：バー形成 → バー領域の星の鉛直軌道共鳴 → ピーナッツ型バルジ形成（現象④：バー形成 → 銀河系円盤の星・太陽系の軌道移動）

バー形成時期の推定

BPXとNSDの星の年齢分布から制限
クリーンなNSDサンプル選びのために「速度情報」が必須 → JASMINEの重要性

ガス降着過程 (kpc→pc)

バー形成期には内部バーなしでもpcスケールまで落ちる

JASAMINEプロジェクト

2028年打ち上げ⽬標の世界初の⾚外線位置天⽂観測衛星 (1.0~1.6 um)
Gaiaでは観測できない中⼼核バルジ領域 (R<~200 pc) の星の位置天⽂カタログを公開
銀河系中⼼考古学（位置天⽂観測） + 系外惑星探査（トランジット法）(注) 本講演は「JASMINE銀河系中⼼考古学」のサイエンスを矮⼩化している。より広いサイエンスに関してはJASMINE White paper (2022年内の投稿予定）を参照してください。
24

APPENDIX

25

Gaia (可視光)
太陽近傍星- 広域のハロー星- バルジ/バーの上層部- 銀河円盤上層部

JASMINE (近⾚外線)© ESA

中⼼核バルジ- 銀河円盤⾯、特にinner disk
- 星間ガスに覆われた星形成領域
-

相補的

-

ハビタブル系外惑星探査

Gaia DR2 (2018)
ESA/Gaia/DPAC

銀河中⼼考古学

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

1. 中⼼核バルジの構造
2. 中⼼核バルジの形成史

}
Sun

銀震学

JC Working Groups

JASMINE Consortium

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

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◦ 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

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。
27

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Formation/Evolution of Bars: Theory
bar instability (e.g. Ostriker & Peeled 1973; Efstathiou et al. 1982)

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

Fujii, JB et al. 2018(isolated, gas-free N-body discs)

unbarred

Fujii, JB et al. 2019(e.g. N-body/SPH sim. Baba 2015)

DM
dominatedbarredDiscdominated(isolated, gas-free N-body discs)slow-down(w/ oscillation)

バー形成-

重い恒星系円盤ほどバー不安定 (e.g. OP73; E82; Fujii+2018)-

近接潮汐作⽤でもバー形成 (e.g. Noguchi 1989)

バー進化
see also Weinberg 1985;
Debattista & Sellwood 2000-

DMからの動的摩擦で減速 (e.g. W85, DS00, Fujii+2019)-buckling不安定/鉛直共鳴で⽴体化 (e.g. Baba et al. 2021)
28

buckling不安定 (座屈不安定)= 流体系のKH不安定に近い現象

バーが銀河⾯鉛直⽅向に”への字型”に振動（鉛直⽅向に”⾮対称”に変形）→ ⽴体化 (ピーナッツ型)

不安定条件：σz/σR<~0.3(e.g. Toomre 1966; Sellwood 1996)

Raha, Sellwood et al. (1991), "A dynamical instability ofbars in disk galaxies", Nature, 352 (6334): 411–412,

これらはすべてガスなしの計算 (=⾮現実的銀河)
ガスありだとbucklingが起きないという指摘もある(e.g. Berentzen et al. 1998, 2007)
本研究でも同様にbucklingは起きていない

Martinez-Valpuesta et al., ApJ, 637, 214, (2006)

現実の銀河ではbucklngでピーナッツ化したわけではないのでは？？

Halos: Recurrent Buckling and Secular Growth”“Evolution of Stellar Bars in Live Axisymmetric29

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

バー形成時期は個々別別。太陽系形成後にできることもCosmological simulation “AURIGA” Project
res. m~5x104 Msun, ε~400 pc

Fragkoudi, Grand et al., MNRAS, 494, 5936, (2020)

bar amp.

太陽系形成

バー形成

~3Gyr ago ~9Gyr ago~8Gyr ago

~4Gyr ago

~4Gyr ago

→ 太陽系の軌道移動にも関係するかも (Tsujimoto & Baba 2020; Baba+in prep.)30

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

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(see Baba & Kawata 2020a)

BPX星
主にバー領域で誕⽣

バー形成が星形成活動の”分画”を引き起こす
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
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

31

JB, Kawata, & Schonrich (2022)
ASURA+ATERUI-II

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

NSD dynamical modeling I
Sormani et al. (2020), MNRAS, 499, 7

cylindrical Jeans modelling-

NSD密度係数 α
速度分散⾮等⽅性 b

NSD 密度分布モデル (観測)-model 1: Launhardt et al. (2002)
model 2: Chatzopoulos et al. (2015)
model 3: Gallego-Cano et al. (2020)

視線速度観測データ-

APOGEE DR16 (Ahumada+2020)
SiO masers (Messineo+2002,2004,2005)

α=0.8

α=0.88

α=0.9

b=0.48b=0.45b=0.4

Mtot = 6.9+/-2 x 108 Msun32

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

NSD dynamical modeling II
Self-consistent DF-

Sormani et al. (2022), MNRAS, 512, 1857

quasi-isothermal DF (Binney 2010; Binney & McMillan 2011)
5 params {MNSD,Rdisc,Hdisc,σr,0,Rσ,r}3D運動データ-

KMOS/VLT los (Fritz et al. 2021) + VIRAC p.m. (Smith et al. 2018)

MNSD = 10.5 x 108 Msun
Rdisc = 88.6 pc
Hdisc = 28.4 pc
σr,0 = 67.7 km/s
Rσ,r = 3.7 pc
33

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

NSD Stellar Pop.

Schultheis et al. (2021) A&A, 650, A191
K/M giants spec. w/ VLS/KMOS
compare with the bulge (APOGEE) and NSC stars
NSD: dynamically cool, metal-rich; formed from the CMZ34

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Stellar Pop. in the Galactic Bar
Wylie et al. (2021) A&A, 653, A143

A2A survey: ARGOS survey re-scaled to APOGEE
AstroNN (w/ DNL) distance (for APOGEE) + RC distance (for A2A)
The mean abundance along the major axis of the bar : the stars are more [Fe/H]-poor and[Mg/Fe]-rich near the Galactic centre than in the outer bulge and the long bar regionbarʼs major axis Xbar
35

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Mira Variables in the Galactic Bar/Bulge

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

Grady et al. (2020) MNRAS

Gaia DR2 long-period variables x 2MASS
Period-Luminosity & Period-Age relations -> distance & age estimations
w/o kinematic info.
中⼼核バルジ領域のMiraはGaiaで⾒えていない

older Miras (>~ 10 Gyr)younger Miras (~5–7 Gyr)太陽36

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

Mira Variables in the Galactic NSD
Sanders, Matsunaga, Kawata et al. (2022) in press
multi-epoch NIR photometry in VVV survey~1800 Miras (O-rich)
Period-age relation37

太陽⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

RR Lyrae Variables in the Galactic Bar/Bulge
Molnar et al. (2022), MNRAS, 509, 2566

~1.4M variables; (RRab~39,000, RRcd~8,00, Cep~1,400 etc.)
w/ kinematics (VIRAC proper motion)
rotation of RRL pops. w/ ~40 km/s/kpc

約27°
38

太陽

⾺場淳⼀＠2022秋季年会 2022/9/15

1. JASMINEとは？ 2. 複合バルジ理解の現状 3.バー形成による進化 4. JASMINEによる検証

NSDs in external galaxies
Time Inference with MUSE
in Extragalactic Rings
Gadotti et al. (2019)https://www.muse-timer.org/

younger, more metal-rich, lower velocity
dispersions than the surrounding bar stars

Bittner et al. (2020); Gadotti et al. (2020)

Image Credit：Credit: ESA/Hubble & NASA,Acknowledgements: D. Calzetti (UMass) and the LEGUS Team39

太陽