[論文レビュー] A Heavy Baryonic Galactic Disc

J. I. Davies|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非バリオン性のダークマターを必要とせず、主に冷たい原子および分子水素からなる質量が大きく拡張されたバリオン的ディスクによって、渦巻銀河における平坦な回転曲線を説明可能であると提唱する。メステルのディスクモデルを拡張し、現在観測されている量よりも約7倍のバリオン質量を想定することで、著者らは、観測された回転曲線とトゥリー＝ファイザー関係を自然に再現でき、長年の謎であるディスク・ハロー・コンスピラシーとマックスイム・ディスク・フィッティングを解消する。

ABSTRACT

We investigate the possibility that the observed rotation of galaxies can be accounted for by invoking a massive baryonic disc with no need for non-baryonic dark matter or a massive halo. There are 5 primary reasons for suggesting this: 1. there are well known disc surface mass density distributions that naturally produce the observed rotation curves of galaxies. 2. there are a number of rotation curve `puzzles' that cannot be explained by a massive dark matter halo i.e. the success of maximum disc fitting, HI gas scaling to the observed rotation, the disc/halo conspiracy and the interpretation of the Tully-Fisher relation. 3. recent 21cm observations show an almost constant HI surface density and a distinct `cut-off' or edge to galactic discs. We explain this constant surface density in terms of either an optical depth effect or the onset of molecular gas formation and hence the possibility of considerably more gas existing in galaxies. We suggest that the HI cut-off does indeed mark the edge of the galactic disc. 4. there have been an increasing number of recent observations that imply that X_CO may be ten times higher in the outer Galaxy. This `dark' gas may provide adequate mass to account for galaxy rotation. 5. we show that the additional baryonic mass required to account for the rotation of galaxies is just that required to reconcile observed baryons with those predicted by big bang nucleosynthesis. Mestel discs can be used to straight forwardly explain the scaling laws of galaxies, particularly the observed relation between rotation velocity and radius and the oft used Tully-Fisher relation. We discuss observations of the baryonic content of galactic discs and where sufficient `hidden' baryons might be found to account for the rotation.

研究の動機と目的

• 非バリオン性のダークマターの必要性を、平坦な銀河の回転曲線の説明において疑問視すること。
• 特に隠れた原子および分子ガスを有する質量の大きなバリオン的ディスクが、観測された運動学的特性を説明できるかどうかを調査すること。
• ディスク・ハロー・コンスピラシーとマックスイム・ディスク・フィッティングといった、長年の銀河力学の謎を、バリオン質量のみによって解消すること。
• ビッグバン核合成の予測と観測されたバリオン質量を一致させるために、銀河ディスク内に隠れたバリオンの貯留源を考慮することで、その一致を図ること。
• 等温ガス雲の単一的崩壊が、トゥリー＝ファイザー関係のような観測されたスケーリング則を自然に生じるかどうかを検討すること。

提案手法

• 平坦な回転曲線を生じる表面質量密度分布を導出するために、メステルの解析的ディスクモデル（特に定常線速度（メステル）ディスクと定常角速度ディスク）を用いる。
• 等温かつ定密度の球状雲のメステルの崩壊モデルから得られる表面質量密度プロファイルを、重力ポテンシャル計算に応用して、観測された回転曲線を説明する。
• HI 21cm観測の解釈を修正し、観測された定常なHI表面密度が光学的厚さ効果や分子ガス形成の始まりに起因する可能性を示唆し、従来の推定よりも最大7倍のガス質量が存在する可能性を示唆する。
• 外縁部におけるHIの「カットオフ」が、ガスの断片化ではなく、銀河ディスクの真の端縁を示していると提唱し、これが分子ガスへの移行に対応するとする。
• 外縁部のγ線観測結果を再解釈し、外縁部のX_CO要因が10倍に増加している可能性を示唆し、検出されない分子ガスの大量貯留が存在すると示唆する。
• トゥリー＝ファイザー関係を診断手段として用いる：メステルのモデルから予測される対数的勾配1/3が観測と一致し、バリオン的ディスク仮説を支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦な銀河の回転曲線は、非バリオン性のダークマターを用いずに、質量の大きなバリオン的ディスクによって説明可能か？
• RQ2 どのような表面質量密度分布が、観測された平坦な回転曲線を自然に生じさせ、かつ、ガス原始銀河の重力的崩壊から生じ得るか？
• RQ3 観測されたHI表面密度がなぜ一定に見えるのか。これは、冷たく不透明な原子および分子ガスの隠れた貯留に起因する可能性はあるか？
• RQ4 観測されたトゥリー＝ファイザー関係の勾配約1/3は、バリオン的ディスクの力学からどのように生じるのか。これは、ダークマターハローの不在を支持するか？
• RQ5 観測されたバリオン質量とビッグバン核合成の予測との乖離は、ディスク内に隠れたバリオン成分を考慮することで解消されるか？

主な発見

• メステルの定常線速度モデルに一致する表面質量密度プロファイルを持つ質量の大きなバリオン的ディスクは、ダークマターハローを必要とせず、自然に平坦な回転曲線を生じる。
• 観測された定常なHI表面密度は、光学的厚さ効果と分子ガス形成の開始の組み合わせと整合的であり、従来の推定よりも最大7倍のバリオン質量が存在する可能性を示唆する。
• 大半の半径で観測されるHIの「カットオフ」は、ガスの断片化ではなく、銀河ディスクの真の端縁を示しており、連続的かつ質量の大きなバリオン的ディスクの存在を支持する。
• トゥリー＝ファイザー関係の観測勾配約1/3は、定密度の原始銀河雲が角運動量分布を保持したまま崩壊するというメステルのモデルによって自然に再現される。
• 回転曲線を説明するために必要な追加のバリオン質量は、観測されたバリオンとビッグバン核合成の予測を一致させるのに必要な量にちょうど一致し、温かい銀河間媒体の存在を排除する。
• このモデルは、ダークマターハローを完全に不要にすることで、ディスク・ハロー・コンスピラシーとマックスイム・ディスク・フィッティングといった「合同」問題を解消する。