The tangled Warp of the Milky Way

Abstract

Context: The Milky Way disc, like the discs of many other spiral galaxies, has been shown to be warped. The growing astrometric data set for stars produced by the Gaia mission allows for more detailed studies of the stellar disc's warp.

Aims: We use a full 6-dimensional phase space sample of stars from Gaia DR3 to study the kinematic signature of the Milky Way warp as a function of position in the Galaxy, to better understand the warp's dynamics and its origins.

Methods: We build a simple model for the warp's kinematic signature derived from the first Jeans equation and apply it to the stellar sample which stretches a whole half-circle in azimuth around the galaxy and out to 18.5 kpc from the Galactic center. The model is then adjusted to further probe properties of the warp, such as the line of nodes, the warp's precession and the warp shape morphology.

Results: We find a single value warp precession rate of 9.87 +- 0.08 km/s/kpc that is in the prograde direction, and line of nodes at 131.45 +- 0.40 degrees in azimuth. In the outer disc, our results show that the line of nodes form a leading spiral with respect to the disc's rotation and that the precession rate decreases with increasing radii. Inspecting the warp amplitude on either side of the Galaxy separately, we find that the disc is asymmetrically warped with a difference of ~40 % at R=15 kpc. Furthermore, we develop a novel approach to study the warp's azimuthal dependence and find that the warp is not as well described in azimuth by a simple sinusoidal shape as previously assumed.

Conclusions: The kinematic signature of the Milky Way warp, and its dependence on the galactocentric radius and azimuth, is observable in Gaia DR3. By applying models to the signature we were able to infer that the warp is rapidly precessing around the Galaxy and that the line of nodes is about 50 degrees from that which is often assumed.

Popular Abstract (Swedish)

Vår hemgalax vintergatan är inte lika platt som ofta är trott. Dess form är mycket likt en disk där mitten är tätt fylld med stjärnor och antalet stjärnor avtar desto längre bort från mitten man kommer. Sen 1950-talet har vi också vetat att två motsatta ändar i disken är böjda åt olika håll medans mitten av disken är relativt platt. Senare forskning har även visat på att många andra galaxer är böjda på ett liknande sätt som vintergatan.

I disken består vintergatan till största del av stjärnor, en del gas och även lite rymdstoft. Sen tidigt i universums historia har stjärnor bildats genom att moln av gas dragits ihop med hjälp av gravitationskraften. Idag uppskattar man att det finns runt 200 miljarder stjärnor i vintergatan som utgörs av många olika åldrar och storlekar.

Sett på vintergatan ovanifrån så förflyttas stjärnor i disken medurs runt galaxens mittpunkt. För en människa uppfattas dessa rörelser mycket långsamma och avstånden enormt stora. Trots att solen färdas över 800.000 kilometer i timmen så tar det oss runt 200 miljoner år att avsluta ett varv runt vintergatan. Dessa astronomiska avstånd och tidsenheter gör att under en människas livstid ändras galaxer i princip obefintligt lite. När vi observerar delar av vintergatan eller andra galaxer är det som att vi studerar stillbilder eller något som sker i slow motion.

Att observera just vintergatan medför unika svårigheter som vi inte har när vi kollar på andra galaxer. Faktumet att vårt solsystem ligger inuti den gör att vi inte kan ta en bild av vintergatan i sin helhet. I stället måste astronomer göra mätningar av hela himmelen, runt hela jorden, för att få sig en uppskattning av var alla stjärnor, all gas och allt stoft är. Genom att göra sådana mätningar har astronomer upptäckt delar av vintergatans faktiska struktur, så som att disken är böjd. På så vis pusslar vi ihop en bild av hur vintergatan skulle se ut för någon utanför vår hemgalax.

Den europeiska rymdorganisationen ESA skickade upp teleskopet Gaia ut i rymden år 2013. Sedan dess har rymdteleskopet gjort astrometriska mätningar av över 1.5 miljarder stjärnor. Astrometri är kunskapen om avstånden till olika himlakroppar och hur de rör sig. Med noggranna mätningar av ett stort antal stjärnor har astronomer kunnat få en bättre uppfattning av bland annat vintergatans struktur och uppbyggnad.

I mitt arbete har jag använt mig av mätningar från Gaia för att beskriva vintergatans böjning. Stjärnor som rör sig runt galaxen, in och ut ur de böjda ändarna, förväntas att ha större hastigheter uppåt och neråt än om disken var platt. Genom att räkna ut vilken slags böjning som krävs för att skapa dem hastigheter i stjärnor som mätts i olika delar av disken, har jag till exempel kunnat utforska hur kraftigt disken är böjd, var disken är böjd och hur böjningen flyttas runt disken. Vad som orsakar galaxer att böjas på detta vis är ännu oklart, men med fortsatta mätningar och forskning kanske vi snart får ihop pusslet.

• author: Hrannar Jónsson, Viktor
• supervisor: Paul McMillan
• organization: Astrophysics; Department of Physics
• course: ASTM32 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Galaxy: structure, Galaxy: kinematics and dynamics, Galaxy: disk, Galaxy: evolution
• language: English
• id: 9133089
• date added to LUP: 2023-07-31 09:17:17
• date last changed: 2023-08-30 14:55:33