前言
高速云(HVCs,High-velocity clouds)是在银河系的银晕中发现的大量视向速度较高的气体云 (Wakker & van Woerden 1997)。传统上认为,在本地静止标准(LSR)中的视向速度超过70∼90km/s的气体云是高速云。但我们知道,在以太阳为原点的参考系下,银河系在不同的银经l处,旋转的视向速度是不同的,最大速度可以超过100km/s,如下图(图源 (Reid et al. 2019),HI数据来自LAB巡天):
而在 (Wakker 1991) 的论文中提出了“偏差速度(deviation velocity)”的概念,也就是将视向速度vLSR与银河系旋转模型对比,考虑在特定的银经l和银纬b下,银河系旋转速度可能的最大值与最小值(也是绝对值的最大值),完全排除银河系旋转速度的干扰。
这里的偏差速度(deviation velocity)vdev定义如下:
vdev={∣vLSR−vmin(l,b)∣,∣vLSR−vmax(l,b)∣,vLSR<0vLSR>0
即对于任意一个视线坐标(l,b),视向速度在[vmin(l,b)−vdev, vmax(l,b)+vdev]的部分都可以被排除。这保证了高速云相对于其附近的星系盘介质的速度一定大于vdev。问题转化为如何确定视线(l,b)处银河系旋转速度的最小值与最大值。
这对于大范围巡天的数据处理非常重要。后续在中性氢巡天数据中寻找高速云的研究中普遍采用了这一定义,如HI4PI巡天 (Westmeier 2018)、LDS巡天 (de Heij et al. 2002)、HIPASS巡天 (Putman et al. 2002) 等。
银河系旋转模型
视向速度的表示
这一部分的推导来自于 (Westmeier 2018) 论文。
在如下的银河系模型中,太阳到银心的距离r⊙=8.5kpc,太阳的公转速率为v⊙=220km/s。
银心坐标系中太阳的坐标为r⊙=(0,r⊙,0),速度沿x轴正方向,即v⊙=(v⊙,0,0)。
假设有一个点P跟随银盘旋转运动,在垂直于银盘的方向无速度。P点在银心坐标系中坐标为r=(rx,ry,rz),速度为v=(vx,vy,0)。在太阳坐标系中,太阳指向P的矢量是d,则P的位置可以用银经l、银纬b和距离d表示为:
r=rxryrz=dsinlcosbr⊙−dcoslcosbdsinb
下一步需要知道P对太阳的视向速度vrad。我们需要将速度v投影到矢量d上,再将太阳本身的旋转速度分量扣除:
vrad=∣d∣d⋅v−d⋅v⊙=∣d∣d⋅(v−v⊙)=d(r−r⊙)⋅(v−v⊙)
将r和v的坐标表达式代入上式即得:
vrad=d1⋅dsinlcosb−dcoslcosbdsinb⋅vx−v⊙vy0=(vx−v⊙)sinlcosb−vycoslcosb
也可以写为:
vrad=(vxsinl−vycosl)cosb−v⊙sinlcosb
下一步证明:
vxsinl−vycosl=vrxyr⊙sinl
如图,Q为P在银盘平面的投影。在银心、太阳和Q点构成的三角形中,由正弦定理得:
cosαr⊙=coslrxy
即:
vrxyr⊙sinl=vcosα
而vcosα和vxsinl−vycosl都是将v投影到太阳与Q的连线上,故:
vcosα=vxsinl−vycosl
证明如下:记太阳与Q对银心的夹角为θ=90∘+α−l,则
vx=vcosθ=−vsin(α−l),vy=−vsinθ=−vcos(α−l)
则:
vxsinl−vycosl=−vsin(α−l)sinl+vcos(α−l)cosl=vcosα
这里使用了两角和的余弦公式:
cos(a+b)=cosacosb−sinasinb
于是有:
vxsinl−vycosl=vcosα=vrxyr⊙sinl
综上所述,视向速度与l、b和rxy的关系为:
vrad=(vrxyr⊙−v⊙)sinlcosb
视向速度的最值
三种典型情况
现在讨论不同l和b下,视向速度vrad能达到的最大值和最小值。这是此前的论文中不曾详细讨论的。
为简便起见,记R=rxy,则有:
vrad=(Rvr⊙−v⊙)sinlcosb
可见不同l和b下,vrad能达到的最大值和最小值取决于Rv的最大值和最小值。
我们采用一个圆柱体的银河系旋转模型:设银河系是一个半径为rgal、高度为2h的圆柱体,太阳位于y=r⊙处,旋转曲线为常数v(R)≡v⊙。此时:
vrad=v⊙(Rr⊙−1)sinlcosb
则vmax对应于Rmin、vmin对应于Rmax,问题转化为求不同l和b下,R=rxy能达到的最大值和最小值。
基于我们对银河系大小的认识,规定rgal>r⊙。而位于太阳系的观测者视线扫过的区域为一个顶点在太阳系、半顶角为90∘−b的圆锥。理论上圆锥高度为无穷大,但我们只考虑圆锥高度为h的部分,则圆锥的底面半径为rb=h/tanb。圆锥与圆柱的关系可以反映在底面两个圆x2+y2=rgal2与x2+(y−r⊙)2=rb2的位置关系上。
定义:
rl=r⊙2+rb2−2r⊙rbcosl
当cosl=2r⊙rb时,rl=r⊙;当cosl=r⊙rb时,rl=r⊙2−rb2。
先不考虑圆锥和圆柱侧面的交线,在b不断增大,即rb不断变小的过程中会发生三种典型情况:
- rb=h/tanb>rgal+r⊙:
这是最简单的情况,此时圆锥和圆柱底面没有交线,R=rgal,结论和b=0一样。
Rmin={r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾0cosl<0
Rmax={rgal,rgal,cosl⩾0cosl<0
- r⊙⩽rb=h/tanb<2r⊙
此时存在两个对称点,使得rb=r⊙,即银心、太阳、Q点构成以银心为顶点的等腰三角形,此时cosl=2r⊙rb。当cosl⩾2r⊙rb时(如下图,在两个Q点之间),R⩽rl⩽r⊙,则Rmax=r⊙,vmin=0。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
- rb=h/tanb<r⊙
此时银心在以太阳为圆心、rb为半径的圆以外。可以做银心到该圆的切线,在两个切点以内cosl>r⊙rb,此时太阳到Q的线段上没有点使得R=r⊙∣sinl∣(因为rb<r⊙cosl),Rmin只能取到rl。
Rmin=⎩⎨⎧rl,r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,r⊙,rl,rl,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
圆锥与圆柱相交
考虑圆锥和圆柱侧面有交线的情况,即以银心为圆心、rgal为半径。如果对于某一个银经l,太阳到银河系边缘的距离大于rb,则R的最大值无法取到rgal,只能取:
rl=r⊙2+rb2−2r⊙rbcosl
圆锥面的半顶角为90∘−b,圆锥方程为:
z2=[x2+(y−r⊙)2]tan2b
和圆柱面:
x2+y2=rgal2
的交线为抛物柱面:
z2=[rgal2−2r⊙y+r⊙2]tan2b
的一部分。
考虑圆x2+y2=rgal2与x2+(y−r⊙)2=rb2的交点:
rgal2−2r⊙y0+r⊙2=rb2
即:
y0=2r⊙rgal2+r⊙2−rb2
这对应的银经为:
cosl=rbr⊙−y0
容易证明:(两边同乘2r⊙rb,这等价于r⊙<rgal)
rbr⊙−y0<2r⊙rb
当rgal−r⊙<rb<rgal+r⊙时会出现交点。交点的cosl=0对应于:
rb=rgal2−r⊙2
临界点:
rgal−r⊙<rb<rgal+r⊙r⊙<rb<2r⊙
若2r⊙<rgal<3r⊙(取r⊙=8.5kpc,即为17kpc<rgal<25.5kpc),则有:
r⊙<rgal−r⊙<2r⊙<rgal+r⊙
值得注意的是,当rgal>5r⊙时,交点的cosl=0对应于:
rb=rgal2−r⊙2>2r⊙
也就是交点y0从y0<r⊙(交点在第一、四象限,此处以太阳为参考系)到y0>r⊙(交点在第二、三象限)的变化一定发生在rb>2r⊙的阶段。取r⊙=8.5kpc,则5r⊙≈19kpc。
分类讨论
我们先考虑rgal⩾3r⊙的情况,则:
rgal+r⊙>rgal2−r⊙2>rgal−r⊙>2r⊙>r⊙
在b不断增大,即rb不断变小的过程中会发生如下变化:
- rb⩾rgal+r⊙:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。
Rmin={r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾0cosl<0
Rmax={rgal,rgal,cosl⩾0cosl<0
- rgal2−r⊙2⩽rb<rgal+r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第一、四象限。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
Rmax=⎩⎨⎧rl,rgal,rgal,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
- rgal−r⊙⩽rb<rgal2−r⊙2:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第二、三象限。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾0rbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧rl,rl,rgal,cosl⩾0rbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
- 2r⊙⩽rb<rgal−r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,尚未触发典型情况2。
Rmin={r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾0cosl<0
Rmax={rl,rl,cosl⩾0cosl<0
- r⊙⩽rb<2r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
- rb<r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。
Rmin=⎩⎨⎧rl,r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,r⊙,rl,rl,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
同理,假设5r⊙<rgal<3r⊙,则:
rgal+r⊙>rgal2−r⊙2>2r⊙>rgal−r⊙>r⊙
在b不断增大,即rb不断变小的过程中会发生如下变化:
- rb⩾rgal+r⊙:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。
Rmin={r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾0cosl<0
Rmax={rgal,rgal,cosl⩾0cosl<0
- rgal2−r⊙2⩽rb<rgal+r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第一、四象限。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
Rmax=⎩⎨⎧rl,rgal,rgal,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
- 2r⊙⩽rb<rgal2−r⊙2:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第二、三象限,尚未触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾0rbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧rl,rl,rgal,cosl⩾0rbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
- rgal−r⊙⩽rb<2r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第二、三象限,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,rgal,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
- r⊙⩽rb<rgal−r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
- rb<r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。
Rmin=⎩⎨⎧rl,r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,r⊙,rl,rl,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
下一个情况是2r⊙⩽rgal<5r⊙,则:
rgal+r⊙>2r⊙>rgal2−r⊙2>rgal−r⊙>r⊙
在b不断增大,即rb不断变小的过程中会发生如下变化:
- rb⩾rgal+r⊙:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。
Rmin={r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾0cosl<0
Rmax={rgal,rgal,cosl⩾0cosl<0
- 2r⊙⩽rb<rgal+r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第一、四象限,尚未触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
Rmax=⎩⎨⎧rl,rgal,rgal,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
- rgal2−r⊙2⩽rb<2r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第一、四象限,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<2r⊙rbcosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rgal,cosl⩾2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<2r⊙rbcosl<rbr⊙−y0
- rgal−r⊙⩽rb<rgal2−r⊙2:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第二、三象限,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,rgal,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
- r⊙⩽rb<rgal−r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
- rb<r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。
Rmin=⎩⎨⎧rl,r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,r⊙,rl,rl,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
最后一种情况是r⊙<rgal<2r⊙(显然太阳不位于银河系的外部),则:
rgal+r⊙>2r⊙>rgal2−r⊙2>r⊙>rgal−r⊙
在b不断增大,即rb不断变小的过程中会发生如下变化:
- rb⩾rgal+r⊙:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。
Rmin={r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾0cosl<0
Rmax={rgal,rgal,cosl⩾0cosl<0
- 2r⊙⩽rb<rgal+r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第一、四象限,尚未触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
Rmax=⎩⎨⎧rl,rgal,rgal,cosl⩾rbr⊙−y00⩽cosl<rbr⊙−y0cosl<0
- rgal2−r⊙2⩽rb<2r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第一、四象限,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<2r⊙rbcosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rgal,cosl⩾2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<2r⊙rbcosl<rbr⊙−y0
- r⊙⩽rb<rgal2−r⊙2:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第二、三象限,触发典型情况2。
Rmin=⎩⎨⎧r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,rl,rl,rgal,cosl⩾2r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
- rgal−r⊙⩽rb<r⊙:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0位于第二、三象限,触发典型情况3。
Rmin=⎩⎨⎧rl,r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,r⊙,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,r⊙,rl,rl,rgal,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbrbr⊙−y0⩽cosl<0cosl<rbr⊙−y0
- rb<rgal−r⊙:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。
Rmin=⎩⎨⎧rl,r⊙∣sinl∣,r⊙∣sinl∣,r⊙,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
Rmax=⎩⎨⎧r⊙,r⊙,rl,rl,cosl⩾r⊙rb2r⊙rb⩽cosl<r⊙rb0⩽cosl<2r⊙rbcosl<0
应用
在论文 (Wakker 1991) 中采用了这样的模型:
r⊙=8.5kpc,rgal=26kpc,h=4kpc
旋转曲线为:
v(R)={R×440km/s,0⩽R<0.5kpc220km/s,R⩾0.5kpc
由于在0⩽R<0.5kpc的区间内Rv为常数,上面讨论的结论也适用于该模型。代入计算可以得到与 (Wakker 1991) 中相同的图:
讨论
模型变种
该模型有一些不同的变种:
- 非常数的旋转曲线:目前公认最准确的旋转曲线模型是 (Reid et al. 2019) 基于 (Persic et al. 1996) 给出的通用旋转曲线模型。此时我们需要将Rv(R)看作整体求极值,此时R的取值即为上面讨论的[Rmin,Rmax],在这个范围内代入v(R)计算旋转速度,一般只能通过数值解法求解Rv(R)的极值。
- 考虑银河系边缘比中间厚,例如 (van Woerden et al. 2004) 第2.1节使用的边缘抛物线模型:
zmax=⎩⎨⎧1kpc,R<r⊙[1+2(R/r⊙−1)2]kpc,R>r⊙
旋转曲线使用的是 (Wakker 1991) 的模型。先计算Rmax再计算vmax。
- 论文 (de Heij, Braun, & Burton 2002) 在圆柱体模型的基础上加入了气体沿z轴的分布(使用了一个高斯分布)和银盘的翘曲(ϕ为以银心为原点,沿银河系旋转方向增加的角度坐标,太阳对应于ϕ=180∘):
z=(6R−11.5)sinϕ+0.3(6R−11.5)2(1−2cosϕ)
然而这个模型的旋转曲线使用的是v(R)≡220km/s的常数。这样的模型使用数值解法计算[vmin,vmax]是最合适的。