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7090km/s70 \sim 90\,\mathrm{km/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ll处,旋转的视向速度是不同的,最大速度可以超过100km/s100\,\mathrm{km/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vLSRv_{\mathrm{LSR}}与银河系旋转模型对比,考虑在特定的银经ll和银纬bb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)vdevv_{\mathrm{dev}}定义如下:

vdev={vLSRvmin(l,b),vLSR<0vLSRvmax(l,b),vLSR>0v_{\mathrm{dev}} = \begin{cases} |v_{\mathrm{LSR}} - v_{\mathrm{min}}(l,b)|, & v_{\mathrm{LSR}} < 0 \\ |v_{\mathrm{LSR}} - v_{\mathrm{max}}(l,b)|, & v_{\mathrm{LSR}} > 0 \\ \end{cases}

即对于任意一个视线坐标(l,b)(l,b),视向速度在[vmin(l,b)vdev, vmax(l,b)+vdev][v_{\mathrm{min}}(l,b) - v_{\mathrm{dev}},\ v_{\mathrm{max}}(l,b) + v_{\mathrm{dev}}]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vdevv_{\mathrm{dev}}。问题转化为如何确定视线(l,b)(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=8.5kpcr_\odot = 8.5\,\mathrm{kpc},太阳的公转速率为v=220km/sv_\odot = 220\,\mathrm{km/s}

银心坐标系中太阳的坐标为r=(0,r,0)\vec{r}_\odot = (0, r_\odot, 0),速度沿xx轴正方向,即v=(v,0,0)\vec{v}_\odot = (v_\odot, 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)\vec{r} = (r_x, r_y, r_z),速度为v=(vx,vy,0)\vec{v} = (v_x, v_y, 0)。在太阳坐标系中,太阳指向P的矢量是d\vec{d},则P的位置可以用银经ll、银纬bb和距离dd表示为:

r=[rxryrz]=[dsinlcosbrdcoslcosbdsinb]\vec{r} = \begin{bmatrix} r_x \\ r_y \\ r_z \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} d\sin{l}\cos{b} \\ r_{\odot} - d\cos{l}\cos{b} \\ d\sin{b} \end{bmatrix}

下一步需要知道P对太阳的视向速度vradv_{\mathrm{rad}}。我们需要将速度v\vec{v}投影到矢量d\vec{d}上,再将太阳本身的旋转速度分量扣除:

vrad=dvdvd=d(vv)d=(rr)(vv)dv_{\mathrm{rad}} = \frac{\vec{d} \cdot \vec{v} - \vec{d} \cdot \vec{v}_{\odot}}{|\vec{d}|} = \frac{\vec{d} \cdot (\vec{v} - \vec{v}_{\odot})}{|\vec{d}|} = \frac{(\vec{r} - \vec{r}_{\odot}) \cdot (\vec{v} - \vec{v}_{\odot})}{d}

r\vec{r}v\vec{v}的坐标表达式代入上式即得:

vrad=1d[dsinlcosbdcoslcosbdsinb][vxvvy0]=(vxv)sinlcosbvycoslcosbv_{\mathrm{rad}} = \frac{1}{d} \cdot \begin{bmatrix} d\sin{l}\cos{b} \\ -d\cos{l}\cos{b} \\ d\sin{b} \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} v_x - v_\odot \\ v_y \\ 0 \end{bmatrix} = (v_x - v_\odot) \sin{l}\cos{b} - v_y \cos{l}\cos{b}

也可以写为:

vrad=(vxsinlvycosl)cosbvsinlcosbv_{\mathrm{rad}} = (v_x\sin{l} - v_y\cos{l}) \cos{b} - v_\odot \sin{l}\cos{b}

下一步证明:

vxsinlvycosl=vrrxysinlv_x \sin{l} - v_y \cos{l} = v \frac{r_{\odot}}{r_{xy}} \sin{l}

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:

rcosα=rxycosl\frac{r_\odot}{\cos{\alpha}} = \frac{r_{xy}}{\cos{l}}

即:

vrrxysinl=vcosαv \frac{r_{\odot}}{r_{xy}} \sin{l} = v \cos{\alpha}

vcosαv \cos{\alpha}vxsinlvycoslv_x \sin{l} - v_y \cos{l}都是将vv投影到太阳与Q的连线上,故:

vcosα=vxsinlvycoslv \cos{\alpha} = v_x \sin{l} - v_y \cos{l}

证明如下:记太阳与Q对银心的夹角为θ=90+αl\theta = 90^\circ + \alpha - l,则

vx=vcosθ=vsin(αl),vy=vsinθ=vcos(αl)v_x = v \cos{\theta} = -v \sin(\alpha - l),\quad v_y = -v \sin{\theta} = -v \cos(\alpha - l)

则:

vxsinlvycosl=vsin(αl)sinl+vcos(αl)cosl=vcosαv_x \sin{l} - v_y \cos{l} = -v \sin(\alpha - l) \sin{l} + v \cos(\alpha - l) \cos{l} = v \cos{\alpha}

这里使用了两角和的余弦公式:

cos(a+b)=cosacosbsinasinb\cos(a + b) = \cos{a} \cos{b} - \sin{a} \sin{b}

于是有:

vxsinlvycosl=vcosα=vrrxysinlv_x \sin{l} - v_y \cos{l} = v \cos{\alpha} = v \frac{r_{\odot}}{r_{xy}} \sin{l}

综上所述,视向速度与llbbrxyr_{xy}的关系为:

vrad=(vrrxyv)sinlcosbv_{\mathrm{rad}} = \left(v \frac{r_{\odot}}{r_{xy}} - v_{\odot}\right) \sin{l}\cos{b}

视向速度的最值

三种典型情况

现在讨论不同llbb下,视向速度vradv_{\mathrm{rad}}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=rxyR = r_{xy},则有:

vrad=(vRrv)sinlcosbv_{\mathrm{rad}} = \left(\frac{v}{R}r_{\odot} - v_{\odot}\right) \sin{l}\cos{b}

可见不同llbb下,vradv_{\mathrm{rad}}能达到的最大值和最小值取决于vR\dfrac{v}{R}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rgalr_{\mathrm{gal}}、高度为2h2h的圆柱体,太阳位于y=ry = r_\odot处,旋转曲线为常数v(R)vv(R) \equiv v_\odot。此时:

vrad=v(rR1)sinlcosbv_{\mathrm{rad}} = v_\odot \left(\frac{r_{\odot}}{R} - 1\right) \sin{l}\cos{b}

vmaxv_{\mathrm{max}}对应于RminR_{\mathrm{min}}vminv_{\mathrm{min}}对应于RmaxR_{\mathrm{max}},问题转化为求不同llbb下,R=rxyR = r_{xy}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>rr_{\mathrm{gal}} > r_\odot。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90b90^\circ - 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hh的部分,则圆锥的底面半径为rb=h/tanbr_b = h/\tan{b}。圆锥与圆柱的关系可以反映在底面两个圆x2+y2=rgal2x^2 + y^2 = r_{\mathrm{gal}}^2x2+(yr)2=rb2x^2 + (y-r_\odot)^2 = r_b^2的位置关系上。

定义:

rl=r2+rb22rrbcoslr_l = \sqrt{r_\odot^2 + r_b^2 - 2r_\odot r_b \cos{l}}

cosl=rb2r\cos{l} = \dfrac{r_b}{2r_\odot}时,rl=rr_l = r_\odot;当cosl=rbr\cos{l} = \dfrac{r_b}{r_\odot}时,rl=r2rb2r_l = \sqrt{r_\odot^2 - r_b^2}

先不考虑圆锥和圆柱侧面的交线,在bb不断增大,即rbr_b不断变小的过程中会发生三种典型情况:

  1. rb=h/tanb>rgal+rr_b = h/\tan{b} > r_{\mathrm{gal}} + r_\odot

这是最简单的情况,此时圆锥和圆柱底面没有交线,R=rgalR = r_{\mathrm{gal}},结论和b=0b = 0一样。

Rmin={rsinl,cosl0r,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rgal,cosl0rgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rrb=h/tanb<2rr_\odot \leqslant r_b = h/\tan{b} < 2r_\odot

此时存在两个对称点,使得rb=rr_b = r_\odot,即银心、太阳、Q点构成以银心为顶点的等腰三角形,此时cosl=rb2r\cos{l} = \dfrac{r_b}{2r_\odot}。当coslrb2r\cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot}时(如下图,在两个Q点之间),RrlrR \leqslant r_l \leqslant r_\odot,则Rmax=rR_{\mathrm{max}} = r_\odotvmin=0v_{\mathrm{min}} = 0

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rb=h/tanb<rr_b = h/\tan{b} < r_\odot

此时银心在以太阳为圆心、rbr_b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>rbr\cos{l} > \dfrac{r_b}{r_\odot},此时太阳到Q的线段上没有点使得R=rsinlR = r_\odot |\sin{l}|(因为rb<rcoslr_b < r_\odot \cos{l}),RminR_{\mathrm{min}}只能取到rlr_l

Rmin={rl,coslrbrrsinl,rb2rcosl<rbrrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrbrr,rb2rcosl<rbrrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

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、rgalr_{\mathrm{gal}}为半径。如果对于某一个银经ll,太阳到银河系边缘的距离大于rbr_b,则RR的最大值无法取到rgalr_{\mathrm{gal}},只能取:

rl=r2+rb22rrbcoslr_l = \sqrt{r_\odot^2 + r_b^2 - 2r_\odot r_b \cos{l}}

圆锥面的半顶角为90b90^\circ - b,圆锥方程为:

z2=[x2+(yr)2]tan2bz^2 = [x^2 + (y-r_\odot)^2] \tan^2{b}

和圆柱面:

x2+y2=rgal2x^2 + y^2 = r_{\mathrm{gal}}^2

的交线为抛物柱面:

z2=[rgal22ry+r2]tan2bz^2 = [r_{\mathrm{gal}}^2 - 2r_\odot y + r_\odot^2] \tan^2{b}

的一部分。

考虑圆x2+y2=rgal2x^2 + y^2 = r_{\mathrm{gal}}^2x2+(yr)2=rb2x^2 + (y-r_\odot)^2 = r_b^2的交点:

rgal22ry0+r2=rb2r_{\mathrm{gal}}^2 - 2r_\odot y_0 + r_\odot^2 = r_b^2

即:

y0=rgal2+r2rb22ry_0 = \frac{r_{\mathrm{gal}}^2 + r_\odot^2 - r_b^2}{2r_\odot}

这对应的银经为:

cosl=ry0rb\cos{l} = \frac{r_\odot - y_0}{r_b}

容易证明:(两边同乘2rrb2r_\odot r_b,这等价于r<rgalr_\odot < r_{\mathrm{gal}}

ry0rb<rb2r\frac{r_\odot - y_0}{r_b} < \frac{r_b}{2r_\odot}

rgalr<rb<rgal+rr_{\mathrm{gal}} - r_\odot < r_b < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot时会出现交点。交点的cosl=0\cos{l} = 0对应于:

rb=rgal2r2r_b = \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2}

临界点:

rgalr<rb<rgal+rr<rb<2rr_{\mathrm{gal}} - r_\odot < r_b < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot \\ r_\odot < r_b < 2r_\odot

2r<rgal<3r2r_\odot < r_{\mathrm{gal}} < 3r_\odot(取r=8.5kpcr_\odot = 8.5\,\mathrm{kpc},即为17kpc<rgal<25.5kpc17\,\mathrm{kpc} < r_{\mathrm{gal}} < 25.5\,\mathrm{kpc}),则有:

r<rgalr<2r<rgal+rr_\odot < r_{\mathrm{gal}} - r_\odot < 2r_\odot < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot

值得注意的是,当rgal>5rr_{\mathrm{gal}} > \sqrt{5} r_\odot时,交点的cosl=0\cos{l} = 0对应于:

rb=rgal2r2>2rr_b = \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} > 2r_\odot

也就是交点y0y_0y0<ry_0 < r_\odot(交点在第一、四象限,此处以太阳为参考系)到y0>ry_0 > r_\odot(交点在第二、三象限)的变化一定发生在rb>2rr_b > 2r_\odot的阶段。取r=8.5kpcr_\odot = 8.5\,\mathrm{kpc},则5r19kpc\sqrt{5} r_\odot \approx 19\,\mathrm{kpc}

分类讨论

我们先考虑rgal3rr_{\mathrm{gal}} \geqslant 3r_\odot的情况,则:

rgal+r>rgal2r2>rgalr>2r>rr_{\mathrm{gal}} + r_\odot > \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} > r_{\mathrm{gal}} - r_\odot > 2r_\odot > r_\odot

bb不断增大,即rbr_b不断变小的过程中会发生如下变化:

  1. rbrgal+rr_b \geqslant r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。

Rmin={rsinl,cosl0r,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rgal,cosl0rgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rgal2r2rb<rgal+r\sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第一、四象限。

Rmin={rsinl,coslry0rbrsinl,0cosl<ry0rbr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rl,coslry0rbrgal,0cosl<ry0rbrgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rgalrrb<rgal2r2r_{\mathrm{gal}} - r_\odot \leqslant r_b < \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2}:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第二、三象限。

Rmin={rsinl,cosl0r,ry0rbcosl<0r,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={rl,cosl0rl,ry0rbcosl<0rgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. 2rrb<rgalr2r_\odot \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} - r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,尚未触发典型情况2。

Rmin={rsinl,cosl0r,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rl,cosl0rl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rrb<2rr_\odot \leqslant r_b < 2r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rb<rr_b < r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。

Rmin={rl,coslrbrrsinl,rb2rcosl<rbrrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrbrr,rb2rcosl<rbrrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}


同理,假设5r<rgal<3r\sqrt{5} r_\odot < r_{\mathrm{gal}} < 3r_\odot,则:

rgal+r>rgal2r2>2r>rgalr>rr_{\mathrm{gal}} + r_\odot > \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} > 2r_\odot > r_{\mathrm{gal}} - r_\odot > r_\odot

bb不断增大,即rbr_b不断变小的过程中会发生如下变化:

  1. rbrgal+rr_b \geqslant r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。

Rmin={rsinl,cosl0r,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rgal,cosl0rgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rgal2r2rb<rgal+r\sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第一、四象限。

Rmin={rsinl,coslry0rbrsinl,0cosl<ry0rbr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rl,coslry0rbrgal,0cosl<ry0rbrgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. 2rrb<rgal2r22r_\odot \leqslant r_b < \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2}:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第二、三象限,尚未触发典型情况2。

Rmin={rsinl,cosl0r,ry0rbcosl<0r,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={rl,cosl0rl,ry0rbcosl<0rgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rgalrrb<2rr_{\mathrm{gal}} - r_\odot \leqslant r_b < 2r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第二、三象限,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,ry0rbcosl<0r,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,ry0rbcosl<0rgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rrb<rgalrr_\odot \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} - r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rb<rr_b < r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。

Rmin={rl,coslrbrrsinl,rb2rcosl<rbrrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrbrr,rb2rcosl<rbrrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}


下一个情况是2rrgal<5r2r_\odot \leqslant r_{\mathrm{gal}} < \sqrt{5} r_\odot,则:

rgal+r>2r>rgal2r2>rgalr>rr_{\mathrm{gal}} + r_\odot > 2r_\odot > \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} > r_{\mathrm{gal}} - r_\odot > r_\odot

bb不断增大,即rbr_b不断变小的过程中会发生如下变化:

  1. rbrgal+rr_b \geqslant r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。

Rmin={rsinl,cosl0r,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rgal,cosl0rgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. 2rrb<rgal+r2r_\odot \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第一、四象限,尚未触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslry0rbrsinl,0cosl<ry0rbr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rl,coslry0rbrgal,0cosl<ry0rbrgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rgal2r2rb<2r\sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} \leqslant r_b < 2r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第一、四象限,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rr,ry0rbcosl<rb2rr,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,ry0rbcosl<rb2rrgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rgalrrb<rgal2r2r_{\mathrm{gal}} - r_\odot \leqslant r_b < \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2}:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第二、三象限,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,ry0rbcosl<0r,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,ry0rbcosl<0rgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rrb<rgalrr_\odot \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} - r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rb<rr_b < r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。

Rmin={rl,coslrbrrsinl,rb2rcosl<rbrrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrbrr,rb2rcosl<rbrrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}


最后一种情况是r<rgal<2rr_\odot < r_{\mathrm{gal}} < 2r_\odot(显然太阳不位于银河系的外部),则:

rgal+r>2r>rgal2r2>r>rgalrr_{\mathrm{gal}} + r_\odot > 2r_\odot > \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} > r_\odot > r_{\mathrm{gal}} - r_\odot

bb不断增大,即rbr_b不断变小的过程中会发生如下变化:

  1. rbrgal+rr_b \geqslant r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱侧面有交线,但底面没有。

Rmin={rsinl,cosl0r,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rgal,cosl0rgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} \geqslant 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. 2rrb<rgal+r2r_\odot \leqslant r_b < r_{\mathrm{gal}} + r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第一、四象限,尚未触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslry0rbrsinl,0cosl<ry0rbr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={rl,coslry0rbrgal,0cosl<ry0rbrgal,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < 0 \end{cases}

  1. rgal2r2rb<2r\sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2} \leqslant r_b < 2r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第一、四象限,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rr,ry0rbcosl<rb2rr,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,ry0rbcosl<rb2rrgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rrb<rgal2r2r_\odot \leqslant r_b < \sqrt{r_{\mathrm{gal}}^2 - r_\odot^2}:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第二、三象限,触发典型情况2。

Rmin={rsinl,coslrb2rrsinl,0cosl<rb2rr,ry0rbcosl<0r,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_\odot |\sin{l}|, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={r,coslrb2rrl,0cosl<rb2rrl,ry0rbcosl<0rgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rgalrrb<rr_{\mathrm{gal}} - r_\odot \leqslant r_b < r_\odot:圆锥和圆柱底面有交线,且交线两端点y0y_0位于第二、三象限,触发典型情况3。

Rmin={rl,coslrbrrsinl,rb2rcosl<rbrrsinl,0cosl<rb2rr,ry0rbcosl<0r,cosl<ry0rbR_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_\odot, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

Rmax={r,coslrbrr,rb2rcosl<rbrrl,0cosl<rb2rrl,ry0rbcosl<0rgal,cosl<ry0rbR_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \leqslant \cos{l} < 0 \\ r_{\mathrm{gal}}, & \cos{l} < \dfrac{r_\odot - y_0}{r_b} \end{cases}

  1. rb<rgalrr_b < r_{\mathrm{gal}} - r_\odot:圆锥底面完全在圆柱底面内,触发典型情况3。

Rmin={rl,coslrbrrsinl,rb2rcosl<rbrrsinl,0cosl<rb2rr,cosl<0R_{\mathrm{min}} = \begin{cases} r_l, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot |\sin{l}|, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_\odot, & \cos{l} < 0 \end{cases}

Rmax={r,coslrbrr,rb2rcosl<rbrrl,0cosl<rb2rrl,cosl<0R_{\mathrm{max}} = \begin{cases} r_\odot, & \cos{l} \geqslant \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_\odot, & \dfrac{r_b}{2r_\odot} \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{r_\odot} \\ r_l, & 0 \leqslant \cos{l} < \dfrac{r_b}{2r_\odot} \\ r_l, & \cos{l} < 0 \end{cases}

应用

在论文 (Wakker 1991) 中采用了这样的模型:

r=8.5kpc,rgal=26kpc,h=4kpcr_\odot = 8.5\,\mathrm{kpc},\quad r_{\mathrm{gal}} = 26\,\mathrm{kpc},\quad h = 4\,\mathrm{kpc}

旋转曲线为:

v(R)={R×440km/s,0R<0.5kpc220km/s,R0.5kpcv(R) = \begin{cases} R \times 440\,\mathrm{km/s},\quad 0 \leqslant R < 0.5\,\mathrm{kpc} \\ 220\,\mathrm{km/s},\quad R \geqslant 0.5\,\mathrm{kpc} \end{cases}

由于在0R<0.5kpc0 \leqslant R < 0.5\,\mathrm{kpc}的区间内vR\dfrac{v}{R}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v(R)R\dfrac{v(R)}{R}看作整体求极值,此时RR的取值即为上面讨论的[Rmin,Rmax][R_{\mathrm{min}}, R_{\mathrm{max}}],在这个范围内代入v(R)v(R)计算旋转速度,一般只能通过数值解法求解v(R)R\dfrac{v(R)}{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+(R/r1)22]kpc,R>rz_{\mathrm{max}} = \begin{cases} 1\,\mathrm{kpc},\quad R < r_\odot \\ \left[1 + \dfrac{(R/r_\odot - 1)^2}{2}\right]\,\mathrm{kpc},\quad R > r_\odot \end{cases}

    旋转曲线使用的是 (Wakker 1991) 的模型。先计算RmaxR_{\mathrm{max}}再计算vmaxv_{\mathrm{max}}
  • 论文 (de Heij, Braun, & Burton 2002) 在圆柱体模型的基础上加入了气体沿zz轴的分布(使用了一个高斯分布)和银盘的翘曲(ϕ\phi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\phi=180^\circ):

    z=(R11.56)sinϕ+0.3(R11.56)2(12cosϕ)z = \left(\frac{R - 11.5}{6}\right)\sin\phi + 0.3\left(\frac{R - 11.5}{6}\right)^2 (1 - 2\cos\phi)

    然而这个模型的旋转曲线使用的是v(R)220km/sv(R) \equiv 220\,\mathrm{km/s}的常数。这样的模型使用数值解法计算[vmin,vmax][v_{\mathrm{min}}, v_{\mathrm{max}}]是最合适的。