利用多星族测量银河系暗物质质量分布

The mass distribution of the Galactic dark matter is crucial for modeling the Galactic dynamics, connecting observations to cosmological dark matter simulations. Restricted by observation techniques, the lack of useful proper motions for halo stars causes that the stellar halo anisotropy cannot be measured. Therefore, the Galactic mass distribution cannot be measured without the assumption of anisotropy by solving the spherical Jeans equation, based on only line-of-sight velocities and distances. Recent studies show that the stellar halo of the Milky Way is oblate, and the number density profiles of different stellar populations vary. As a result, it is more realistic to measure the mass distribution of the Milky Way by analyzing the kinematics of multiple stellar populations based on the axisymmetric Jeans equation. The project is to build the first halo stellar sample with full six dimensional phase space information by combining the line-of-sight velocities and distances of LAMOST/SEGUE K-type giants and blue-horizontal-branch stars with Gaia DR2 good proper motions, and to measure the mass distribution of the Milky Way, as well as the rotation and velocity anisotropy of each stellar population, by adopting an axisymmetric Jeans equation based dynamical modeling method. The advantage of the method is that it can fit multiple stellar populations simultaneously.

银河系暗物质质量分布对理解其动力学特征非常重要，是连接观测与冷暗物质模拟的桥梁。受观测技术的限制，银晕中的恒星没有可用的自行，导致银晕的速度各向异性的测量无从进行，因此，银河系质量分布的测量只能在假设银晕的各项异性参数的情况下利用不完备的相空间信息（一维视向速度和距离）来求解球对称Jeans方程。研究表明，银河系恒星晕是扁球状，而且其中不同星族的数密度分布也不尽相同。可见，利用轴对称Jeans方程通过同时分析不同星族的运动学来测量银河系质量分布更符合实际。本项目计划利用LAMOST和SEGUE的K型巨星和蓝水平支星的视向速度和距离，结合Gaia即将释放的高精度自行，首次构建拥有六维相空间信息的晕星样本，并首次利用晕星的完整运动学信息，采用能够同时拟合多个星族的基于轴对称Jeans方程的动力学模型，同时测量银河系的质量分布，以及不同种类恒星的旋转和速度各向异性参数。

银河系质量及其分布的精确测量对理解银河系乃至本星系群的形成和演化至关重要，但受观测和理论的双重限制，银河系质量的测量仍存在很大的不确定度，因此该课题一直是银河系领域的研究热点。结合目前世界上最大的光谱库LAMOST和高精度天测卫星Gaia的数据，补充SDSS的光谱数据，使得我们能够首次构建拥有完整相空间参数的晕星大样本，不仅能够填补银晕速度椭球分布测量的空白，结合更符合观测的轴对称动力学模型，还能够提高银河系质量分布测量的可靠性。我们完成了LAMOST K巨星距离的测量，平均精度达15%，结合Gaia高精度自行数据，并增补了SDSS的晕星数据，构建了一个上万颗拥有完整相空间参数的晕星样本。基于该样本，证认了其中的潮汐子结构；首次获得三千多颗可靠的人马座星流成员星和近六百颗麒麟环成员星，可靠呈现出人马座星流和麒麟环的三维运动，为模拟银河系形成提供了重要的观测依据；结合其化学丰度模式，证明麒麟环是银盘波浪结构的一部分，将盘的尺度扩大到30kpc；动力学追溯了鲸鱼座星流的起源，确定NGC5824不是鲸鱼座星流前身星系中心的球状星团；首次测量了银晕的速度椭球随距离的分布，发现银晕的速度椭球是各向异性的，随着距离增大，各向异性强度稍微减弱，且年轻的富金属的恒星表现出更强的各向异性；采用轴对称Jeans模型，同时拟合K巨星和蓝水平支星样本，测量了银河系70kpc内的质量分布以及暗物质晕的维里质量和半径，得到70kpc内的总质量约为5800亿个太阳质量，暗物质晕维里质量约为1万亿个太阳质量，维里半径约为230kpc。通过项目实施，共发表SCI论文24篇，总引用近370次，受到国际同行的广泛关注和认可。