星系地震学：人马座矮星系撞击后演化的“相位螺旋”

2018年，ESA的\Gaia\卫星在太阳邻域的$z-V_z$相平面中发现了显著的螺旋图样（“相位螺旋”），其中$z$与$V_z$分别为恒星垂直于银河系盘面的位移与速度。针对Binney \& Schönrich用以解释\Gaia\数据的盘穿越卫星解析模型，我们开展了一个高分辨率N体模拟（N$\approx 10^8$粒子），模拟一个脉冲质量（$2\times 10^{10}$ \Msun）在单一穿越点与冷恒星盘相互作用。盘的响应十分复杂，因为该脉冲触发了两种不同双对称（$m=2$）模式的叠加——一个密度波与一个波纹状弯曲波——它们以不同速率卷绕。{\it 较快}密度波中的恒星随时刻$T$按$\phi_D(R,T)=(\Omega_D(R) + \Omega_{\rm o})\:T$卷绕，其中$\phi_D$描述螺旋图样，$\Omega_D =\Omega(R) -\kappa(R)/2$，$\kappa$为周转圆频率。尽管图样速度$\Omega_{\rm o}$很小，但它非零。{\it 较慢}弯曲波按$\Omega_B\approx\Omega_D/2$卷绕，产生波纹状波。密度波的聚束效应在弯曲波上上下卷动时触发了相位螺旋（“过山车”模型）。相位螺旋在撞击后约$\Delta T \approx 400$ Myr缓慢浮现。它似乎是一种长寿命、盘尺度的现象，在长达2~Gyr的模拟中持续演化。因此，鉴于人马座（Sgr）如今总质量较低（10 kpc直径内$M_{\rm tot}\sim 3\times 10^8$ \Msun\），我们认为相位螺旋由盘穿越矮星系在最近一次穿越前约$1-2$ Gyr所激发。若此成立，Sgr必须每个轨道环损失0.5-1 dex的质量。