Advanced

Re-examining the dynamics of the Milky Way with new distance estimates

Wimarsson, John LU (2018) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK02 20181
Lund Observatory
Abstract
The use of reliable distance estimates is key to derive accurate three-dimensional velocities of celestial objects. Systematic overestimation and large uncertainties in the distances will thus provide misleading information of an object's kinematics. In turn, astronomers will get a flawed understanding of dynamical properties of substructures in the Milky Way.

In this paper, we employ the improved distance estimates of observations common to the TGAS and RAVE catalogues, made available in McMillan et al. (2018), to re-investigate claims of three previous papers on Milky Way dynamics where lower quality distance estimates have been used. We opt for a general approach where we use analysis in the form of statistical resampling as well as... (More)
The use of reliable distance estimates is key to derive accurate three-dimensional velocities of celestial objects. Systematic overestimation and large uncertainties in the distances will thus provide misleading information of an object's kinematics. In turn, astronomers will get a flawed understanding of dynamical properties of substructures in the Milky Way.

In this paper, we employ the improved distance estimates of observations common to the TGAS and RAVE catalogues, made available in McMillan et al. (2018), to re-investigate claims of three previous papers on Milky Way dynamics where lower quality distance estimates have been used. We opt for a general approach where we use analysis in the form of statistical resampling as well as a velocity model of Gaussian nature adopted from Kordopatis et al. (2013) to evaluate the validity of the claims. Further, we use at least two different subsets of our data with varying quality in each investigation to gain a sense of how lower quality data points affect the observed dynamical phenomena.

We find that there are results in each paper that can be attributed to the use of poor distance estimates. Firstly, we find that there are no indications of the existence of the dearth of zero angular momentum stars in the Milky Way, which was proposed in Hunt et al. (2016). Secondly, we find that the excess of retrograde halo orbits in the Milky Way found in Helmi et al. (2017) is a product of the systematic overestimation of distances. Our results indicate that the fraction of retrograde halo orbits is substantially lower than they have claimed. Finally, we find that the contraction-like behaviour of the Galactic disc detected in Williams et al. (2013) can be connected to systematic overestimation and/or large uncertainties in their distance estimates. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Solen är bara en utav miljardtals stjärnor i Vintergatan - vår hemgalax. Likt en myrstack kan Vintergatan som helhet vid en första anblick verka simpel. Men när man tar en närmare titt upptäcker man att varje invånare har sitt eget liv, vilket bidrar till en komplex natur. Därför blir det svårt att få information om Vintergatans omfattande egenskaper genom att undersöka enskilda stjärnor. Men precis som att vi lättare kan förstå en arbetsmyras rörelser genom att analysera andra arbetsmyror, så kan vi kategorisera stjärnor beroende på vart i Vintergatan de befinner sig och kartlägga hur stjärnorna i varje del rör sig som grupp.

Ett stort hinder i undersökningar av storskaliga rörelser i Vintergatans olika delar är bristen på noggranna... (More)
Solen är bara en utav miljardtals stjärnor i Vintergatan - vår hemgalax. Likt en myrstack kan Vintergatan som helhet vid en första anblick verka simpel. Men när man tar en närmare titt upptäcker man att varje invånare har sitt eget liv, vilket bidrar till en komplex natur. Därför blir det svårt att få information om Vintergatans omfattande egenskaper genom att undersöka enskilda stjärnor. Men precis som att vi lättare kan förstå en arbetsmyras rörelser genom att analysera andra arbetsmyror, så kan vi kategorisera stjärnor beroende på vart i Vintergatan de befinner sig och kartlägga hur stjärnorna i varje del rör sig som grupp.

Ett stort hinder i undersökningar av storskaliga rörelser i Vintergatans olika delar är bristen på noggranna avståndsbedömningar. Ett överskattat avstånd leder till en alltför stor observerad hastighet hos enskilda stjärnor. Därmed leder systematiskt överskattade avstånd till en felaktig bild av hur stjärnorna rör sig som grupp. Orsaken till att avstånd tenderar till att bli felaktigt bedömda kan tillskrivas brister hos de instrument vi använder för att mäta dem, samt otillräcklig behandling av dessa mätningar. De enorma distanserna mellan solen och andra stjärnor sträcker sig upp mot tiotusentals ljusår, vilket leder till att vi måste ha teknologiskt avancerade instrument för att kunna mäta dem tillräckligt bra.

Den 19 december 2013 skickades satelliten Gaia upp i rymden, ett datum som kom att förändra forskning om Vintergatan för all framtid. Denna satellit har de mest avancerade mätinstrumenten för kartläggning av stjärnor hittills. Den kommer under sitt uppdrag mäta positioner och rörelser för över en miljard stjärnor i Vintergatan. Faktum är att detta motsvarar 10 000 gånger fler stjärnor än vad som mättes av Gaias föregångare, satelliten Hipparcos. Dessutom kommer dessa mätningar att vara 200 gånger mer noggranna.

Galaxforskaren Paul McMillan vid Lunds Universitet har använt data från Gaia för att beräkna avståndsbedömningar för 219 565 av dessa stjärnor, vilka är betydligt mer noggranna än de som tidigare funnits tillgängliga för forskare. I vårt projekt använder vi dessa avstånd för att ta reda på om faktumet att man i tidigare forskning har använt sig av mindre noggranna avståndsbedömningar har lett till en förvrängd bild av olika storskaliga rörelsemönster i Vintergatans delar.

Med de bättre avståndsbedömningarna kan vi först och främst ta reda på om vi kan detektera samma rörelsemönster som föreslagits i artiklarna. Vi kan därefter använda oss av noggranna statistiska tester för undersöka hur de sämre avståndsbedömningarna påverkat de olika rörelsemönstren. I slutändan är målet med denna undersökning att ge oss en bättre förståelse för olika typer av storskaliga rörelser i Vintergatan samt att påvisa hur viktigt det är att använda sig av noggrant analyserad data för att få en sanningsenlig bild av vår galax. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Wimarsson, John LU
supervisor
organization
course
ASTK02 20181
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Milky Way dynamics, Gaia, distance estimates
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2018-EXA137
language
English
id
8952675
date added to LUP
2018-07-10 15:25:28
date last changed
2018-07-10 15:25:28
@misc{8952675,
  abstract     = {The use of reliable distance estimates is key to derive accurate three-dimensional velocities of celestial objects. Systematic overestimation and large uncertainties in the distances will thus provide misleading information of an object's kinematics. In turn, astronomers will get a flawed understanding of dynamical properties of substructures in the Milky Way.

In this paper, we employ the improved distance estimates of observations common to the TGAS and RAVE catalogues, made available in McMillan et al. (2018), to re-investigate claims of three previous papers on Milky Way dynamics where lower quality distance estimates have been used. We opt for a general approach where we use analysis in the form of statistical resampling as well as a velocity model of Gaussian nature adopted from Kordopatis et al. (2013) to evaluate the validity of the claims. Further, we use at least two different subsets of our data with varying quality in each investigation to gain a sense of how lower quality data points affect the observed dynamical phenomena.

We find that there are results in each paper that can be attributed to the use of poor distance estimates. Firstly, we find that there are no indications of the existence of the dearth of zero angular momentum stars in the Milky Way, which was proposed in Hunt et al. (2016). Secondly, we find that the excess of retrograde halo orbits in the Milky Way found in Helmi et al. (2017) is a product of the systematic overestimation of distances. Our results indicate that the fraction of retrograde halo orbits is substantially lower than they have claimed. Finally, we find that the contraction-like behaviour of the Galactic disc detected in Williams et al. (2013) can be connected to systematic overestimation and/or large uncertainties in their distance estimates.},
  author       = {Wimarsson, John},
  keyword      = {Milky Way dynamics,Gaia,distance estimates},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Re-examining the dynamics of the Milky Way with new distance estimates},
  year         = {2018},
}