⽇本天⽂学会2021年春季年会

2021/3/19 13:48~14:00

銀河形成・進化 X36a

Age dating the Galactic Bar
with the Nuclear Stellar Disk and BPX bulge
JASMINE (NAOJ)

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

関連講演
河⽥⽒ Z306r (計算惑星)
郷⽥⽒ V238a (機器光⾚)⾺場 淳⼀(国⽴天⽂台 JASMINEプロジェクト)
河⽥⼤介 (MSSL/UCL), Ralph
Schoenrich (MSSL/UCL)1

⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

天の川銀河の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 = 円盤銀河の最も強い⾮軸対称構造→ 銀河円盤の⼤局的な⾓運動量輸送= 銀河円盤の”物質混合”過程を⽀配

Boxy/Peanut/X-shaped（太陽系の軌道移動にも関連？？ Baba in prep.）

バー形成：Gaia-Enceladus (銀河合体) イベントに並ぶ「2⼤イベント」の⼀つ
WISE 3.4 & 4.6 um (Ness & Lang 2016)✓ バーの理解の現状と課題：- 形状：半⻑径 ~5 kpc、⾓度 〜27°

Red Clump 3D map (Wegg & Gerhard 2013)

Boxy/Peanut/X-形状 (BPX)- ⾓ 速 度 ：~40±5 km/s/kpc(Sanders et al. 2019, Bovy et al. 2019;約27°- 進化過程：⾓速度減速率 ???
2±5k- 形成時期：~2̶8 Gyr ago ???

pc

Asano, Fujii, JB et al. 2020; 朝野⽒講演 R20a (銀河)Kawata, JB et al. arXiv:2012.05890)

太陽⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

バー形成の「観測的痕跡」の理解が必須
問題点：バーの⼒学年齢 ≠ バーの星種族年齢 (e.g. Wozniak 2007)
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→ 基本的にはあらゆる年齢の円盤星が寄与する

課題
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「痕跡」を残すのか？
本研究：N-body/SPHシミュレーションを⽤いてバーの「形成時期」の情報が、天の川銀河の星の運動学情報や星形成史にどのように刻まれるのかを調べた。
特に 中⼼核ディスク (Nuclear Stellar Disk) と BPXバルジ に着⽬(JB & Kawata 2020)(JB, Kawata, Schoenrich 2021)

3

Milky Way simulations

Stars, Atomic H (HI)，Molecular H (H2)(Baba 2015; Baba et al. 2017; Baba & Kawata 2020)✓ Isolated Disk Galaxy Model- DM halo + classical bulge + stellar disk + gas disk
- to analyse well-resolved structures & stellar orbits- spontaneous bar & spiral formation & buckling stable
initial Q

initial RC✓ASURA (Saitoh & Makino 2009,2010,2013)- Self-gravity N-body /SPH
- Baryon Physics (Saitoh+2008; Baba+2017)- Star Formation- SNII / HII region- Radiative Cooling / FUV Heating✓Resolutions- 10 pc Plummer softening (gravity)- 5.7million stars + 4.5million SPH

4⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

NSD：バー形成→ガス流⼊→スターバースト
バー形成前

バー形成開始~1Gyrバー形成完了

ガス流⼊

ガス流⼊

ガス流⼊

NGD (CMZ)

NSD

ガス流⼊＆ starburst→ 中⼼核ディスク (NSD) の急成⻑
5JB & Kawata, 2020, MNRASASURA + ATERUI-II

バー形成開始

バー完成• バー形成時間 <~ 1 Gyr• バー形成開始と同時にガスがバー強度 |A2|

〜1Gyr

中⼼領域に流⼊→ NGD (CMZ) 形成• 中⼼領域でスターバースト

SFR(<1kpc) [M⦿/yr]

Mass(<1kpc) [M⦿]

tbar=1.5 Gyr→ NSD形成Classical Bulge
星形成による成⻑星形成による消費e.g.
Friedli & Benz (1993,1995),
Martin & Friedli (1997),Athanassoula (2005)

Nuclear Stellar Disk(NSD)
Nuclear Gas Disk(NGD or CMZ)

中⼼核バルジ (NGD+NSD) の急成⻑

NSDのSFRピーク時期≒ バー形成時期

NGDでスターバースト→ NSD形成

経過時間 t [Gyr]6JB & Kawata, 2020, MNRASASURA + ATERUI-II⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

BPXバルジ：バー形成直後から出現- 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 Gyrtbar = 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]7JB, Kawata, & Schonrich, 2021

⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

BPXバルジ：バー形成期以前に誕⽣した星が選択的に分布バー形成”前”に誕⽣した星
BPXにも多く分布

1.0 Gyr < tbirth < 1.5 Gyr

1.5 Gyr < tbirth < 2.5 Gyr

2.5 Gyr < tbirth < 7.0 Gyrface-on view
Y [kpc]0 < tbirth < 1.0 Gyr

バー形成期

バー形成”後”に誕⽣した星BPXにほとんどない少ない

side-on view
Z [kpc]多い

X [kpc]X [kpc]X [kpc]

古い
8

星の年齢

X [kpc]若い
JB, Kawata, & Schoenrich, 2021

バー形成による星形成活動の”分画”

⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

NSD星
中⼼領域<1kpcで誕⽣(see Baba & Kawata 2020)

BPX星
主にバー領域で誕⽣

BPX星：バー形成前に (主に) 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]9

主にバー形成前に誕⽣

JB, Kawata, & Schonrich, 2021
ASURA+ATERUI-II⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

原因１：バー形成後にバー領域の星形成率が急低下“bar quenching”

see also
Martin & Friedli (1997), Spinoso et al. (2017),
Khopeskov et al. (2018), Donohoe-Keyes et al. (2019)

バー強度 |A2|

バー形成

rst

(JB & Kawata 2020)

starbuSFR [M⦿/yr]

1) NSD (R<1 kpc)

バー領域のガスを中⼼に落とす

バー形成時期SF2) バー領域 (1<R<4 kpc)
(JB, Kawata, & Schonrich, 2021)

ginchenqu

SFR [M⦿/yr]

tbar = 1.5 Gyr

1) 中⼼スターバースト→ NSD形成＝ 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→ 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]10

JB, Kawata, & Schonrich, 2021
ASURA+ATERUI-II⾺場淳⼀＠学会春季年会2021/3/19

原因２：バー形成（動的変化）が鉛直共鳴領域に星を供給
バー形成後に誕⽣した星の軌道解析：tbirth (~4.5 Gyr) >> tbar
ヤコビエネルギー EJ をよく保存 → vILRに到達できない → BPXに上がれない
t=6.5 Gyr (2Gyr後)

j線等E

動径作⽤ JR (∝ 軌道離⼼率)

t=4.5 Gyr

⽅位⾓作⽤ Jφ (∝ 軌道半径)

11JB, Kawata, & Schoenrich, 2021

天の川銀河のバーはいつできたのか？

ATERUI-II (NAOJ)

N-body/SPH simの予測：
N-body/SPH simの予測：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NSD星とBPX星の年齢分布でバー形成時期を挟み撃ち推定

Gaia

バー形成”前”に誕⽣した星BPX bulge

バー形成期Baba, Kawata, Schonrich, 2021

年齢下限値〜バー年齢

BPX星NSD

bar-driven gas inﬂow→ SF quenching → BPXに跳ね上がる星の減少

0NSD星

0.5bar-driven gas inﬂow

年齢上限値〜バー年齢→ starburst → NSD形成
0JASMINE

76現在

543星の誕⽣時刻 tbirth [Gyr]バー形成”期/後”に誕⽣した星Baba & Kawata 2020

観測した星がどの銀河構造に属するのかを判別するには、
位置・速度情報 (位置天⽂観測情報 = Gaia/JASMINE) が必要
12210過去

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