[論文レビュー] Dark matter in the Milky Way, II. the HI gas distribution as a tracer of the gravitational potential

P. M. W. Kalberla, L. Dedes+2 more|ArXiv.org|Apr 30, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 101被引用数 113

ひとこと要約

本研究では、レーデン/アルゼンチン/ボン全天周21cmサーベイを用いて、銀河の3次元H iガス分布をモデル化し、重力ポテンシャルを制約した。その結果、13–18.5 kpcに質量を持つリングを有する自己重力的ダークマター・ディスクと、全ハロー質量が約1.8×10¹² M☉であることが明らかになった。このモデルは、観測されたH iディスクのフラーリングおよび27 kpcまで平坦な回転曲線を説明でき、巨大な星形成リングの合体起源を支持し、散漫なダークマター力学を示唆している。

ABSTRACT

Context. Gas within a galaxy is forced to establish pressure balance against gravitational forces. The shape of an unperturbed gaseous disk can be used to constrain dark matter models. Aims. We derive the 3-D HI volume density distribution for the Milky Way out to a galactocentric radius of 40 kpc and a height of 20 kpc to constrain the Galactic mass distribution. Methods. We used the Leiden/Argentine/Bonn all sky 21-cm line survey. The transformation from brightness temperatures to densities depends on the rotation curve. We explored several models, reflecting different dark matter distributions. Each of these models was set up to solve the combined Poisson-Boltzmann equation in a self-consistent way and optimized to reproduce the observed flaring. Results. Besides a massive extended halo of M ~ 1.8 10^{12} Msun, we find a self-gravitating dark matter disk with M=2 to 3 10^{11} Msun, including a dark matter ring at 13 < R < 18.5 kpc with M = 2.2 to 2.8 10^{10} Msun. The existence of the ring was previously postulated from EGRET data and coincides with a giant stellar structure that surrounds the Galaxy. The resulting Milky Way rotation curve is flat up to R~27 kpc and slowly decreases outwards. The \hi gas layer is strongly flaring. The HWHM scale height is 60 pc at R = 4 kpc and increases to ~2700$ pc at R=40 kpc. Spiral arms cause a noticeable imprint on the gravitational field, at least out to R = 30 kpc. Conclusions. Our mass model supports previous proposals that the giant stellar ring structure is due to a merging dwarf galaxy. The fact that the majority of the dark matter in the Milky Way for $R \la 40$ kpc can be successfully modeled by a self-gravitating isothermal disk raises the question of whether this massive disk may have been caused by similar merger events in the past.

研究の動機と目的

• 銀河中心距離40 kpc、高さ20 kpcまでの銀河の3次元H i体積密度分布を導出し、銀河質量分布を制約すること。
• 観測された平坦な回転曲線と、低下する回転曲線を予測する理論的モデルとの間の長年の矛盾を解消すること。
• 観測されたH iディスクのフラーリングが、ダークマター成分を含む自己整合的な重力ポテンシャルによって説明可能かどうかを検証すること。
• 自己重力的ダークマターモデルを用いて、H i分布における大規模な非対称性およびらせん状の特徴の起源を調査すること。
• EGRETデータから推定された13–18.5 kpcにおけるダークマターリングが、H iガス分布および全体の質量モデルと整合的かどうかを評価すること。

提案手法

• レーデン/アルゼンチン/ボン（LAB）全天周21cm線サーベイを用いて、銀河のH i輝度温度をマッピングした。
• さまざまな回転曲線の仮定の下で、ポアソン＝ボルツマン方程式の自己整合的解を用いて、輝度温度を3次元H i体積密度に変換した。
• 広がったハローと、リング成分を有する自己重力的等温ダークマター・ディスクを含む、複数のダークマター・モデルを検討した。
• 観測されたH iフラーリングプロファイル（R=4 kpcで60 pcからR=40 kpcで約2700 pcまで増加）を再現できるようにモデルを最適化した。
• らせん腕の摂動を重力ポテンシャルに組み込み、H i分布における半径方向および南北非対称性を説明した。
• IAUが推奨する銀河的定数（R☉=8.5 kpc、v☉=220 km s⁻¹）を用いて回転曲線を基準化し、観測された平坦性を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河における観測されたH iディスクのフラーリングは、ダークマター成分を含む自己整合的重力ポテンシャルによって説明可能か？
• RQ2 H iガス運動および密度プロファイルに基づき、特に20 kpcを超える銀河外縁部におけるダークマターの質量分布はいかなるものか？
• RQ3 EGRETデータから推定された13–18.5 kpcにおけるダークマター・リングが、観測されたH i分布および回転曲線を説明するのに妥当な解釈を提供するか？
• RQ4 らせん腕構造が、R>30 kpcの領域において重力ポテンシャルおよびH i分布にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 ディスクおよびリングを有するダークマター分布の観測された非定常性は、散漫的または合体駆動形成シナリオと整合的か？

主な発見

• 銀河のH iディスクは強いフラーリングを示し、半値全幅（HWHM）のスケール高さはR=4 kpcで60 pcからR=40 kpcで約2700 pcまで増加する。
• モデルは、全質量が約1.8×10¹² M☉の質量的で広がったダークマター・ハローを支持しており、R≈27 kpcまで観測された平坦な回転曲線と整合的である。
• 自己重力的ダークマター・ディスク（全質量2–3×10¹¹ M☉）が必須であり、特に13–18.5 kpcに質量2.2–2.8×10¹⁰ M☉の明確なリング成分が含まれる。
• ダークマター・リングは空間的に巨大な星形成リング構造と一致しており、質量光度比が24–120の高質量の矮星銀河との過去の合体イベントと整合的である。
• らせん腕の摂動は重力ポテンシャルに顕著な影響を及ぼし、R≈30 kpcまでH i分布における半径方向および南北非対称性を引き起こす。
• 厚さがあり、異方的であるダークマター・ディスクの存在は、星流の起源となった天体の軌道面が銀河ディスクと一致していたことを示唆し、ダークマター準位構造の散漫的または合体駆動形成起源を支持する。