Mass models and the spiral arms of the Milky Way

Abstract

I investigate to what extent spiral arms might affect axisymmetric Galactic models. As we need fully dynamical and high resolution Galactic evolutionary models to probe the structure of the dark matter halo, it is important that we use accurate mass models describing the MW structure. Before reaching to that level of effort, a great deal can be learned from fitting mass and kinematic models to data. Because many researchers still use models which do not include any spiral structure, they might have systematic errors from their models. I therefore compare an axisymmetric model of the Galaxy to a model with added spiral perturbations. The latter was found by adding radial and azimuthal velocity perturbations from an analytic model of spiral structure to a model of the circular velocity of the MW derived from assuming a gravitational potential with an axisymmetric bulge and disk and a logarithmic halo.
Recently and accurately measured distances, proper motions and radial velocities of ∼ 100 Galactic maser sources and radial velocity data from the ISM were used to constrain the models. Using the cold gas as tracer objects in the Galaxy allows me to approximate their motions as near-circular and within the plane (z = 0).
I use a Bayesian statistical analysis (with a set of priors from a variety of sources) and a Markov Chain Monte Carlo approach to investigate the parameter space of the models to arrive at a set of best fitting parameters for the two models. The resulting probability distributions for all the model parameters and the best-fitting models can then be compared and the question of spiral influence can be answered.
The simple models employed in this thesis work show that including spiral perturbations does modestly change some resulting probability distributions of the model parameters and the best-fitting models. For example, I find a local DM density ρDM = 0.0096±0.001 M⊙ pc−3 for all models except for the four armed model with spiral perturbations for which ρDM = 0.00917 ± 0.001 M⊙ pc−3. However, these systematic differences are smaller than their cor- responding statistical difference given my amount of data (∼100 masers). As the amount of data increases, the statistical uncertainty will shrink (while there is no reason to expect that the systematic one will). Therefore studies of this kind will be increasingly important as the amount of data improves. I also show that choosing between a two and four armed spiral arm model gives different radial and azimuthal perturbations. For the two armed model, the radial velocity perturbation is vanishing whilst the azimuthal velocity perturbation is significant and the opposite is true for the four armed model. The point is not to derive any accurate numbers but to highlight that there is a difference for even the simplest models and simplest assumptions.

Popular Abstract (Swedish)

Människan har sedan urminnes tider tittat upp mot himlen och försökt lista ut vår plats i Universum. Vi har kommit långt fram sedan tiderna man kartlade stjärnors positioner för hand, till att använda superdatorer till att simulera kosmisk historia.
Just nu befinner vi oss i en era där stora resurser läggs ner på att studera vårt hem, vår galax, Vintergatan, i mycket större detalj än förr. En av dessa projekt är Gaia satelliten, vars mål är att mäta positioner, hastigheter och ljusstyrkor av en miljard stjärnor i Vintergatan med högre precision än någonsin. Gaia kommer säkerligen att revolutionera vår förståelse av galaxers uppbyggnad, struktur och formationshistorik. Det är i frammarchen av precision som mitt arbete kommer in. Med allt mer inkommande detaljerad data kommer behovet av allt mer detaljerade matematiska modeller av Vintergatan fram.
Alla miljarder stjärnor och all gas i Vintergatan kretsar i stort sätt kring dess mitt punkt som råkar vara ett gigantiskt svart hål. Det tar c.a. tjugo miljarder år för en typisk stjärna i solens område att ta sig ett varv kring galaxcentrum. Detta system är dessutom insvept i ett så kallat halo av mörk materia, något som man inte direkt kan detektera men något som astronomer tros finnas då det skulle förklara en hel del annars oförklarliga observationer. Astronomer har observerat många delar av Vintergatan och bevisen pekar på att det finns så kallade spiral armar. Dessa är regioner där gas och stjärnor är mer ihoptryckta än de annars skulle vara utanför en arm. Det är många som försöker finna ut varför dessa spiralarmar existerar och varför andra galaxer har olika många. Det råder fortfarande ingen konsensus i dessa frågor.
Det är inte bara ur empirisk data man kan dra slutsatser om hur världen runt om kring oss fungerar utan även ur de matemetiska modellerna som beskriver fenomenen. Genom att anta en modell för ett system kan man beräkna olika kvantiteter från den och sedan jämföra resultaten med det man kan observera i verkligheten. Man kan på så sätt validera teorier beroende på hur bra modellen förutsäger mätvärden i verkligheten.
Jag har försökt besvara frågan: Påverkar modeller av spiralarmar gamla modeller utan dem? För att besvara denna fråga har jag använt en typisk modell för Vintergatans struktur och jämfört den med samma modell där jag lägger till spiral armar. Jag har använt observationell data från högenergiska gasområden i Vintergatan för att urskilja de matematiska modellerna. Jag har implementerat en statistisk metod som möjliggör användningen av tidigare beräknade kvantiteter som beskriver Vintergatan och en algoritm som letar bland alla modellparametrar för att hitta de som passar bäst. Genom att titta på vilka olika parametrar de olika modellerna föredrar kan jag dra slutsatser om hurvida skildrade de ̈ar.
Mina resultat visar på att man borde utveckla mina modeler eftersom det finns underlag som tyder på att spiralarmar kan förändra egenskaper i Vintergatan. Genom att inkludera spiralarmar förutsäger man till exempel en lägre koncentration av mörk materia nära vår sol. Detta resultat är viktigt då många vetenskapliga studier och experiment i världen hänger på att veta detta värde i så noga utsträckning som möjligt. Det är mycket som kommer att förändras när man börjar ta hänsyn till spiralarmar i detaljerade modeller och jag hoppas att fler börjar att inkludera dessa i deras modeller.

• author: Zigmanovic, Edvin
• supervisor: Paul McMillan
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2016-EXA103
• language: English
• id: 8903154
• date added to LUP: 2017-02-15 17:39:12
• date last changed: 2017-02-15 17:39:12