[論文レビュー] A wide-field HI mosaic of Messier 31. II.The disk warp, rotation and the dark matter halo

E. Corbelli, Silvio Lorenzoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 73被引用数 73

ひとこと要約

本研究では、ねじれリングモデルを用いて回転曲線とダークマター銀河リングをモデル化する高分解能21-cm H IモザイクをM31に対して提示する。ニュートン力学ではダークマター核がなければ失敗するが、ΛCDMおよびMONDモデルの両方がデータに適合する。最良の適合ΛCDM核は濃度C=12、質量1.2×10¹² M⊙を示し、560 kpcまでの外部質量推定値と整合的である。

ABSTRACT

We test cosmological models of structure formation using the rotation curve of the nearest spiral galaxy, M31, determined using a recent deep, full-disk 21-cm imaging survey smoothed to 466 pc resolution. We fit a tilted ring model to the HI data from 8 to 37 kpc. The disk of M31 warps from 25 kpc outwards and becomes more inclined with respect to our line of sight. Newtonian dynamics without a dark matter halo provide a very poor fit to the rotation curve derived using the warp model. In the framework of modified Newtonian dynamic however the 21-cm rotation curve is well fitted by the gravitational potential traced by the baryonic matter density alone. The inclusion of a dark matter halo with a density profile as predicted by structure formation in a hierarchical clustering LambdaCDM cosmology makes the mass model in newtonian dynamic compatible with the rotation curve data. The dark halo concentration for the best fit is C=12 and its total mass is 1.2 10^{12} Msun. If a dark halo model with a constant density core is considered, the core radius has to be larger than 20 kpc in order for the model to fit to the data. We extrapolate the best-fit LambdaCDM and constant-density core mass models to very large galactocentric radii, comparable to the size of the dark matter halo. A comparison of the predicted mass with the M31 mass determined at such large radii using other dynamical tracers, confirms the validity of our results. In particular the LambdaCDM dark halo model which best fits the 21-cm data well reproduces the M31 mass traced out to 560 kpc. Our estimated total mass of M31 is 1.3 10^{12} Msun, with 12% baryonic fraction and only 6% of the baryons in neutral gas.

研究の動機と目的

• 8〜37 kpcの銀河中心距離において、広視野21-cm H Iモザイクを用いてM31の回転曲線を決定すること。
• バリオン物質（星とガス）のみを用いたニュートン力学が、観測された回転曲線を再現できるかどうかを検証すること。
• ΛCDMおよびMONDモデルが回転曲線データと整合的かどうかを評価すること。
• 動力学的モデリングを用いてダークマター核パラメータ（質量、濃度、コア半径）を制約すること。
• 外部の動力学的トレーサー（例：衛星、ストリーム）と比較することで、最良の適合核モデルを大半径領域にまで外挿し、妥当性を検証すること。

提案手法

• Braunら（2009）の21-cm H I速度場データを用い、8〜37 kpcの銀河中心距離においてねじれリングモデルを適用した。
• 独立パラメータ（システム的速度、中心、円運動速度、傾き、位置角）を有する11個の自由リングを用い、合計66自由度とした。
• 隣接するリング間で線形補間を適用し、力学的パラメータの滑らかな遷移を確保した。
• 3つの独立したフィッティング手法と、データ選択基準の変更（例：主軸周辺の角度制限）を用いてモデルの頑健性を検証した。
• 回転曲線にΛCDM NFWおよび一定密度コアダークマター核モデルをフィットし、質量対光度比を自由パラメータとした。
• 最良の適合核モデルを大半径領域（最大560 kpc）まで外挿し、球状星団、潮汐ストリーム、衛星系からの観測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートン力学において、M31の観測された回転曲線はダークマター核を必要とするか？
• RQ2 修正ニュートン力学（MOND）は、ダークマターを仮定せずともM31の回転曲線を再現できるか？
• RQ3 M31におけるΛCDMダークマター核の最良適合パラメータ（質量、濃度、コア半径）は何か？
• RQ4 最良の適合核モデルの外挿された質量は、大半径領域における独立した動力学的推定値と一致するか？
• RQ5 21-cm回転曲線および核モデリングから導かれるM31の全質量とバリオン質量分率は何か？

主な発見

• M31のディスクは25 kpc以降にねじれを示し、35 kpcで傾きが86°に増加し、銀河の両側で一貫した回転曲線を示す。
• バリオン物質（星とガス）のみを用いたニュートン力学では、20 kpc以降の観測された平坦な回転曲線を再現できない。
• MONDは、ダークマター核を仮定せず、バリオン物質の重力ポテンシャルのみを用いて回転曲線をよく再現する。
• 最良の適合ΛCDMダーク核は、濃度パラメータC=12、全質量1.2×10¹² M⊙を示す。
• 一定密度コアモデルでは、データに適合させるためにコア半径>20 kpcが必要であり、最良の適合コア半径は77 kpcであったが、これは大半径領域での質量を過剰に予測する。
• 外挿されたΛCDMおよび一定コア核モデルは、560 kpcまでの外部トレーサー（球状星団、衛星系）から得られるM31の全質量（1.3×10¹² M⊙）とよく一致し、バリオン質量分率は12%であった。