2020/11/12 観測的宇宙論WS 2020

天の川銀河の動⼒学構造と位置天⽂観測1. はじめに ̶ 天の川銀河研究の意義
2. Gaia成果: ”quick” review
3. 渦状腕構造の動⼒学

The Gaiaʼs Sky (ESA/DPAC)
The “Simulated” Milky Way

4. 棒状構造の動⼒学
5. JASMINE計画の概要(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Review Papers
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総括的なレビュー。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。

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• 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
2

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.

3

Nittler & Ciesla, 2016, ARA&A

太陽系の起源 “3W1H”
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）
4

The Galaxy in the Context
Bland-Hawthorn & Gerhard, ARA&A, 54, 529, (2016)log (星形成率/M◉ yr-1)

Licquia et al. 2015

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◉)
52. Gaia の成果：”quick” review
Astrometric Satellite “GAIA”
launched 19th Dec. 2013

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)

Gaia (2013~)~10 uas; 1.3B

d <~ 5 kpc

DR1 (2016/9)
DR2 (2018/4) ← Now, here!

⊿ϖ ~ 40 uas⊿μ ~ 60 uas/yr

質~2桁
量~4桁

Sun

LOS vel. (RVS)EDR3 (2020/12/3)
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)

参考 位置天⽂観測衛星: Hipparcos, Gaia, JASMNE
千葉, “銀河考古学”, 2015, 表8.1

8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9© ESA/Hipparcos/J. de Bruijne

Gaiaが描き出した天の川

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
10 Gaia Collaboration, Brown et al., 2018, A&A

from Anthony Brownʼs slide, 2019/03/08

11

from Anthony Brownʼs slide, 2019/03/08

12

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

Early DR3 (third quarter of 2020) ← 今年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) ← 再来年の前半- 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.
13

from Anthony Brownʼs slide, 2019/03/08← もともとは”Final”と呼ばれていたもの← 2024頃???

14quick reviews

SMC-sized gal. merger at >10 Gyr ago (Gaia-Enceladus event)→ thick disk formation ??
thick disk

Gaia G-mag

thin disk

halo

Gaia Collaboration Babusiaux et al.,A&A, 616, A10, (2018)

two pops of halo stars

Gaia BP-RP color

counter-rotating of the 2nd pop.

Helmi et al., Nature, 563, 85, (2018)see also Helmi (2020) ARA&A review

quick reviews

Gaia Collaboration, Helmi et al., A&A, 616, A12, (2018)“Gaia Data Release 2: Kinematics of globular clusters and dwarf
galaxies around the Milky Way”

● 矮⼩銀河 11個 (1億年)● 球状星団 80個 (1000万年)

Copyright ©2018, Maarten Breddels, Amina Helmi
https://www.astro.rug.nl/~ahelmi/research/dr2-dggc/
16

quick reviews

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

V (= Vφ) [km/s]

Antoja et al. 2008
Coma Berenices
HyadesHercules(trimodal?)SiriusPleiadesGaia DR2
U (= -VR) [km/s]

quick reviews

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

Kawata, JB et al. 2018, MNRAS
fast rot✓phase wrapping of dynamic spirals ??
(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]18

inward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 Dehnen & Schonrich 2018vz = 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？ (Khoperskov et al. 2018)
棒状構造 (バー) のbucking運動の痕跡か？(e.g. Laporte 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)

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

quick reviews

Gaia Collaboration, Eyer et al., A&A, 623, A110, (2019)“Gaia Data Release 2: Variable stars in the colour-absolute magnitude diagram”
DR3 (2022) で新たに桁違いの数の変光星が発⾒されてくるはず（⾼精度の周期-光度関係も決まるはず）

quick reviews

Skowron et al., Sci, 365, 478, (2019)
2431 classical Cepheids w/ OGLE

Poggio et al., NatAs, 4, 590, (2020)12 millions Gaia DR2 giants

Chen et al., NatAs, 3, 320, (2019)
585 + 744 classical Cepheids

quick reviews

The recurrent impact of the Sagittarius dwarf
on the Milky Way star formation history
Ruiz-Lara et al., NatAs, 4, 965, (2020)

動画：https://www.iac.es/en/outreach/news/evolutionary-history-milky-way-determined-more-detail-ever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
Baba et al. 2018, ApJ
Miyachi et al (JB). 2019, ApJ
24

Kawata, JB et al. 2018, MNRAS

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)

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
radial migration
収束・発散 (+ 動径移動)
Goldreich & Lynden-Bell (1965) ; Toomre (1981)
Sellwood & Carlberg (1984); Sellwood & Binney (2002)
etc…
25

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銀- 現実の渦巻銀河(〜1, 2巻き)
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※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)
26

J. Oort (1962)

実際の銀河：〜1巻

Dobbs & Baba, 2014, PASA, 31, 35

近年の数値シミュレーションに基づく渦状腕構造の理解の現状

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

Synchronized “Swarms” of Stars ?

(Youtube)(Baba et al. 2013)

move across or along arms?
LifeTime :Rotation :
Stars

:

Gyr-scalerigid-bodypass through

密度波モデルΩsp ~ const.

100 Myr-scale (recurrent)
diﬀerential
converge/diverge

動的渦状腕モデル
Ωsp(R) ~ Ωgal(R) ∝ 1/R

growing / damping phasepass throughconverge/diverge(horse-shoe like)R < Rcr
R > Rcr

Lin & Shu (1964,1966)

Baba et al. (2013); Grand et al. (2012)

渦状腕理論の観測的検証法の理解も進んだので、実際のGaiaデータで検証できないか？
Gaiaデータによる検証の例
Baba et al. 2018, ApJ
Miyachi et al (JB). 2019, ApJ

“Disrupting” Perseus arm?
Baba, Kawata, Matsunaga et al. 2018, ApJ

ペルセウス腕周辺の77個のセファイドの特異速度 w/ Gaia DR1Youngerlog(P [day])w/ N-body/SPH sim.

git
ta
riu
s

Pe
rs
eu
SUN

Rotation

Sa

Ou

ter

s

Older

壊れつつあるアーム周辺の若い星粒⼦ (~ 100 Myr) の特異速度

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 astrometryof HMSFRs)
31

simulation (Baba 2015)

The “Stellar” Local arm?
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

32
Miyauchi, Sakai, Kawata, JB et al. 2020, ApJ●：VIBI HMSFRs (Xu et al. 2018)
ー：Gaseous Local Arm (log-spiral)

Gaia DR2 X 2MASS
4654 old stars with ~1 Gyr
up to ~1.2 kpc toward the outer Gal.

Σsource/Σdisk
distance from the Sun

distance from the Sun

HMSFR-Local arm

distance from the Sun

Oﬀset between the Stellar and Gaseous Local arms ?

●：VIBI HMSFRs (Xu et al. 2018)
ー：Gaseous Local Arm (log-spiral)

33
Miyauchi, Sakai, Kawata, JB et al. 2020, ApJ

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⊿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

ただし、局所的(<~kpc)

銀河中⼼からの距離 R [kp]なoﬀsetは⽣じ得る

stellar arm位置を基準とした相対⽅位⾓ ⊿φ [°]34

余談 Gas spiral map: “Fingers-of-God” structures
Baba et al. 2009, ApJ

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※ 決定精度が銀経に依存すること（観測的宇宙論の⾚⽅偏移空間のFoGと類似の現象）に依る効果もある (Sofue 2009)

N-body/SPH simulation

Pseudo-observation of the sim.

35

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

Baba et al. in prep.
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]36

Tsujimoto & JB, 2020, ApJ (arXiv:2010.05962)

Spiral Encounters & Snowball Earth Events
Tsujimoto & JB, 2020, ApJ (arXiv:2010.05962)~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

37

Averaged4. 棒状構造

Baba & Kawata, 2020, MNRAS, 492, 4500
Baba, Kawata & Schonrich, to be submitted soon
38

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
39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：⻑径 ~5 kpc、⾓度 〜27°
Boxy/Peanut/X-形状- ⾓ 速 度 ：~40 km/s/kpc

Boxy/Peanut/X-shaped(Sanders et al. 2019, Bovy et al. 2019;
Asano, Fujii, JB et al. 2020)- 形成時期：~2̶8 Gyr ago ???

WISE 3.4 & 4.6 um (Ness & Lang 2016)- 進化過程：BPX形状への遷移時期 ???
⾓速度減速率 ???

Red Clump 3D map (Wegg & Gerhard 2013)✓ 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

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
40

約27°

±5
k

（太陽系の軌道移動にも関連？？）pc= 銀河円盤進化を⽀配

太陽バー形成の「観測的」履歴
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円盤星が寄与する→ バーの年齢 ≠ バー構造を構成する星 (e.g. Wozniak 2007)
N-body simulation of bar formation (Baba 2015)

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？
41

銀河系の”中⼼核ディスク” (中⼼<~200 pc)
Boxy/Peanut型バルジ(= バー本体を横からみた構造)
Boxy/Peanut/X-shaped

銀経 < ±1°

WISE 3.4 & 4.6 um (Ness & Lang 2016)(半径 ~ 200 pc)
中⼼核ディスク
Nuclear Stellar Disk (NDS)

Nishiyama et al. (2013)see also Launhardt et al. (2002)42

銀河系の中⼼核バルジ (中⼼<~200 pc)

Launhardt et al. (2002)（中⼼核バルジ = NSD + CMZ）

+200 pc✓⾚外線観測で発⾒された中⼼の超過領域 (NSD;星

2015; Schonrich+2015)- 星の距離・固有運動は測定できていない→ 動⼒学構造 (重⼒場) が不明 (nuclear bar?)

銀緯 b (度)Launhardt+2002)- 半径~200 pcのディスク状の星の分布- 星の回転運動 (分光観測; Matsunaga et al. incl. JB,-200 pc→ 位置天⽂観測が重要

ダスト

ガス

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

Suzuki+2015; Kakiuchi+2018)- 星間減光が⾮常に強い→ Gaia (可視光) cannot reach the NSD!
→ JASMINE (近⾚外線) が重要✓若い⼤質量星団 (Arches, Quintuplet)43

銀緯 b (度)- 特徴的な運動 ̶ ⾮円運動？磁場? (JB+2010;

B/Pバルジ (バー)銀経 l (度)Gaia (可視光)
太陽近傍星- 広域のハロー星

JASMINE (近⾚外線)-(太陽近傍星)- 中⼼核バルジ-© ESA

バルジ/バーの上層部- 銀河円盤上層部

相補的

-

-

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

}
Sun

44

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

中⼼核ディスク (NSD) 形成過程
バー (棒状構造) によるバルジ領域 (~数100 pc) への

Credit: ESO/R. Gendler

ガス流⼊ → ガス円盤 (CMZ) → 星形成 (NSD)※古くから知られている進化過程 (e.g. Athanassoula 1992, Friedli & Benz 1993, 1995)

バー (⾮軸対称構造) による⾓運動量輸送 (主にガス)(R < CR → inward; R > CR → outward)

初期

500 Myr後

ガス密度マップ

代表的なx1軌道

NGC1097

ガス流⼊

ガス流⼊

ガスリング形成(CMZ)(=バー⻑軸⽅向)

星形成リング→ NSD形成

Hydrodynamic simulations in a realistic bar potential(J. Shin, S. S. Kim, JB et al., 2017, ApJ, 841, 74)45

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Onishi (SOKENDAI),
NASA/ESA Hubble Space Telescope
https://alma-telescope.jp/news/press/mt-post_598

Milky Way simulations

Stars, Atomic H (HI)，Molecular H (H2)(Baba 2015; Baba et al. 2015, 2016, 2017)✓ASURA (ver. 2) (Saitoh & Makino 2009,2010)- Self-gravity N-body /SPH
- Baryon Physics (Saitoh+2008; Baba+2017)- Star Formation- SNII / HII region- Radiative Cooling / FUV Heating✓ Disk Galaxy Model- DM halo + classical bulge + stellar disk + gas disk
- spontaneous bar & spiral formation
initial Q

initial RC✓Resolutions- 10 pc softening- 5.7million stars + 4.5million SPH

46

ATERUI-II(CfCA/NAOJ)

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

ガス流⼊＆スターバースト→ 中⼼核バルジ (NGD+NSD) の急成⻑
47

JB & Kawata, 2020a, MNRAS

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

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

中⼼核バルジ (NGD+NSD) の急成⻑

NSD星のピーク時期≒ バー形成時期

NGDでスターバースト→ NSD形成

経過時間 t [Gyr]48

JB & Kawata, 2020a, MNRAS

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 ← 早い！
- 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)

elliptical-shapet = 1.5 Gyr (= tbar)

バー形成後

t = 2.5 Gyrtbar = 1.5 Gyr

経過時間 t [Gyr]weak X-shapet = 7.0 Gyr

BPX-shape

BPX-shape

BPX強度 [kpc]t = 1.0 Gyr

バー形成期

Vバンドマップ

SFR密度

SF砂漠

SFリング

SF砂漠

SFリング

SF砂漠

SFリング

buckling強度 [pc]バー形成前

old stars
new stars(from gas)no bar buckling

経過時間 t [Gyr]49

JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.

バー形成前に誕⽣した星が選択的にBPXバルジに分布
バー形成”前”に誕⽣した星
BPXにも多く分布

バー形成”後”に誕⽣した星BPXにほとんどない

1.0 < tbirth < 1.5 Gyr

X [kpc]X [kpc]1.5 < tbirth < 2.5 Gyr

2.5 < tbirth < 7.0 Gyr

X [kpc]X [kpc]side-on view
Z [kpc]face-on view
Y [kpc]0 < tbirth < 1.0 Gyr

古い

星の年齢

50

若い
JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.

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

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]51

主にバー形成前に誕⽣

JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.

バー形成後にバー領域の星形成率は急低下“bar quenching”
see also

バー強度 |A2|

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

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]52

JB, Kawata, & Schonrich, 2020b, in prep.

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

バー形成”前”に誕⽣した星

Baba, Kawata, Schonrich, in prep.

NSD星とBPX星の年齢分布でバー形成時期を挟み撃ち推定53

GALACTICNUCLEUS survey: high-res JHKs imaging
over-plotted on a Spitzer/IRAC 3.6um

Nogueras-Lara et al. 2020, NatAs, 4, 377

NSD
photometric distanceremove “foreground” disk stars
w/o kinematics

SFH of the NSD derived from stellar models

bar formation triggeredby a recent Sgr dwarf passage (~1 Gyr ago)？

1. bulk of its stars formed at least 8 Gyr ago.
2. after a long period of quiescence, a starburst
event followed about 1 Gyr ago that formedroughly 5% of its mass within ~100 Myr, in what
may arguably have been one of the mostenergetic events in the history of the Milky Way.
3. star formation continued subsequently on alower level, creating a few per cent of the stellar
mass in the past ~500 Myr, with an increased
rate up to ~30 Myr ago. (see also Matsunaga et
al. 2009, Nature)

our Galaxyʼs bar may not have existed until recently, or that gas transport through thebar was extremely ineﬃcient during a long stretch of the Milky Wayʼs life.

NSDピーク検出：シミュレーションの模擬観測
NSD星年齢分布ピーク ≒ バー形成時期 → NSD年齢分布ピークを検出したい• Contaminationが課題

3パターンのMockデータ
GLat b [deg.]- background classical bulge (ClB) stars- (foreground disk stars)→ シミュレーション結果を模擬観測(終状態 t = 5 Gyrで模擬観測)

Spatial

緑：NSD星⾚：ClB星LOSVTANV|l| < 5 deg.
|b| < 0.3 deg.
|d-8 kpc| < 1 kpc

VLOS [km/s]|VLOS - Vcir,LOS(l)| < 25 km/s

• Mockデータ⽣成（3パターン）
1. Mock-Spatial
空間分布のみで星粒⼦を選出|Vb| < 25 km/s

Vb [km/s]|l| < 5 deg, |b| < 0.3 deg, 7 < d < 9 kpc

2. Mock-LOSV

空間分布＆視線速度 (分光観測) で星粒⼦を選出|VLOS - Vcir,LOS| < 25 km/s

3. Mock-TANV

空間分布＆視線速度＆接線速度 (位置天⽂観測) で星粒⼦を選出

Vl [km/s]|Vcir,l(l)-220 km/s| < 25 km/s

|Vb| < 25 km/s, |Vcir,l(l)-220 km/s| < 25 km/s
55

GLon l [deg.]

GLon l [deg.]

GLon l [deg.]

JB & Kawata, 2020a, MNRAS

接線速度情報 (位置天⽂観測) があると古典バルジ (hot成分)とNSD (cool成分) を分離できる
tgap = 1 Gyr, fClB = 1
Mock-Spatial
Mock-LOSV
Mock-TANV

バー形成時期

tgap：バー形成と古典バルジ形成時期の差
fClB ：古典バルジ (ClB) 質量割合

tgap = 2 Gyr, fClB = 1
古典バルジ形成

NSD形成

バー形成時期(シミュレーション値で規格化)
古典バルジ形成NSD形成減少tgap = 1 Gyr, fClB = 0.1

減少

tgap = 1 Gyr, fClB = 0.1

バー形成時期

バー形成時期

NSD形成※ 今回のモデルのClBはやや⼤きめだったので、観測的⽰唆に従い⼈為的に⼩さくした場合も解析

NSD形成
古典バルジ形成減少星の年齢 [Gyr] (= lookback
time)
56

古典バルジ形成減少

JB & Kawata, 2020a, MNRAS

⼩型JASMINE精度で分離可能
星年齢精度が課題 → 変光星や星震学による年齢推定の進展に期待
仮定：⼩型JASMINE精度相当 (δd~1.6 kpc, δvl,b~1 km/s)(a) 距離・速度誤差あり
Mock-Spatial
Mock-LOSV(b) & 年齢誤差=0.3Gyrtgap = 2 Gyr, fClB = 1

Mock-Spatial
Mock-LOSV

Mock-TANV(c) & 年齢誤差=1.0Gyr

Mock-TANV(d) & 年齢誤差=3.0Gyr

Mock-Spatial
Mock-LOSV

Mock-Spatial
Mock-LOSV

Mock-TANV

Mock-TANV

星の年齢 [Gyr] (= lookback time)

57

JB & Kawata, 2020a, MNRAS

5. ⾚外線位置天⽂観測衛星

58

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✓ ⾚外線波⻑で観測(1.1 - 1.7 ミクロンの近⾚外線波⻑ 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 forHw <12.5mag

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 for12.5<Hw <15mag.

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59

>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

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
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)

サイト右端の「Join」をクリック◦ 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• 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。

JC Meeting 2020
⽇ 時：2020年11⽉24⽇/25⽇ 午後1時頃〜5時頃
場 所：オンライン（接続先情報は参加登録者向けに連絡）
趣 旨:
JAXA宇宙科学研究所の公募型⼩型計画３号機に選定された「JASMINE」は、以下の３つの科学⽬標を達成するために準備を進めています。
• ⾚外線による超⾼精度位置天⽂観測により、距離2万6千光年に位置する星の距離と運動を測定し、天の川銀河の中⼼核構造と形成史を明らかにする。
• 太陽系や惑星をもつ星の移動を引き起こす原因となる銀河構造の進化の過程を明らかにし、⼈類誕⽣にも関わる天の川銀河全体の形成史を探求する。
• ⾚外線位置天⽂観測で達成される⾼精度な測光能⼒を活かした
時間軸天⽂観測により、⽣命居住可能領域にある地球に似た惑星を探査する。
特に、JASMINEが⾏う銀河中⼼領域の⾚外線⾼精度位置天⽂観測
は、先⽇発表された2020年ノーベル物理学賞の銀河中⼼巨⼤ブ
ラックホールの発⾒につながった星の動きの観測であり、また、
系外惑星探査は2019年ノーベル物理学賞のテーマでもあり、JASMINEは、２つのノーベル賞級のサイエンステーマをカバーすると⾔えます。また、最近の Gaia 衛星の成果に代表されるように、位置天⽂観測データは、新たな次元のデータを提供するものであり、上記の主⽬標以外にもJASMINEの位置天⽂観測データを多くのサイエンスにも応⽤できるはずです。また、JASMINEが提供する時間軸天⽂観測も、系外惑星だけでなく、マイクロレンジ
ングなどへの応⽤が可能です。

[tennet:19168]参照
参加登録締め切り：11/23 (⽉)
JASMINEプロジェクトの進捗報告
全体概要と進捗報告（郷⽥ 直輝）

衛星システム（⽚坐 宏⼀）
国産センサーの宇宙⽤化（⿅野 良平）
データ解析とソフト開発・WG-Aの活動報告（⼭⽥ 良透）
観測データの詳細（⽮野 太平）

White Paperサイエンスケースの紹介
河原 創 (東京⼤学)

exo-JASMINE (exoplanets)

⾺場 淳⼀ (国⽴天⽂台) Nuclear Stellar Disc
松永 典之 (東京⼤学) Variable Stars
⻄⼭ 正吾 (宮城教育⼤学) Galactic centre / Star Clusters
藤井 通⼦ (東京⼤学) IMBH (Intermediate Mass BH)
服部 公平 (統計数理研究所) Hyper Velocity Stars
川中 宣太 (京都⼤学) BH binaries
浅⽥ 秀樹 (弘前⼤学) Gravitational Wave
⾅井 ⽂彦 (JAXA宇宙研) small solar system body
⽯垣 美帆 (国⽴天⽂台) PFS Galactic archeology survey
鈴⽊ ⼤介 (⼤阪⼤学) PRIME and microlensing⻄ 亮⼀（新潟⼤学）

Star-forming regions

議論（lead by 河⽥⼤介）

今後のWGの活動体制の⽅針について
コミュニティからJASMINEへの要望
国内外の計画とのシナジー
⽇本コミュニティのGaiaNIRへの参加についてなど

Summary★ 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)
Dynamic spiral and bar are required to migrate the Sun (Tsujimoto & Baba

2020; Baba et al. in prep.)★ Gaiaによる天の川銀河研究の⾰新
MW disk is not a smoothly rotating disk, but heavily perturbed!
- e.g. Gaia-Enceludus (Helmi+2018), perturbed disk (Antoja+2018)- rich velocity ridges (Kawata, JB+2018)- disrupting Perseus arm? (Baba+2018) → Gaia DR3? (2022?)- stellar local arm? (Miyachi incl. JB, 2018) → GaiaNIR conceptual mission?

NIR astrometry would be required to answer the origin of the spirals.
★ JASMINE計画 = 中⼼核バルジ星の⾚外線位置天⽂観測
銀河中⼼考古学 = 中⼼核バルジから天の川銀河の歴史を紐解く
第⼆イベント「バー形成」の時期を明らかに (Baba & Kawata 2020; Baba+2020b)
Letʼs join JASMINE Consortium!
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