[論文レビュー] Direct measurements of bar pattern speeds

E. M. Corsini|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、星族の運動学に応用されたTremaine-Weinberg（TW）法を用いた、銀河におけるバーのパターン速度の直接測定に関する包括的レビューを提示する。その結果、初期型および後期型銀河にわたるほぼすべての測定されたバーは、${\cal R} \approx 1.0\text{--}1.4$ の回転率を示しており、これは高速回転であり、コリレーション半径近くで終了していることを示唆し、銀河のタイプやダークマター含量に関係なく共通の形成機構がある可能性を示している。星族に基づくTW法はモデルに依存しない手法であり、後期型スパイラルに拡張されれば、選択バイアスを低減できる可能性がある。

ABSTRACT

The dynamics of a barred galaxy depends on the angular velocity or pattern speed of its bar. Indeed, it is related to the location of corotation where gravitational and centrifugal forces cancel out in the rest frame of the bar. The only direct method for measuring the bar pattern speed is the Tremaine-Weinberg technique. This method is best suited to the analysis of the distribution and kinematics of the stellar component in absence of significant star formation and patchy dust obscuration. Therefore, it has been mostly used for early-type barred galaxies. The main sources of uncertainties on the directly-measured bar pattern speeds are discussed. There are attempts to overcome the selection bias of the current sample of direct measurements by extending the application of the Tremaine-Weinberg method to the gaseous component. Furthermore, there is a variety of indirect methods which are based on the analysis of the gas distribution and kinematics. They have been largely used to measure the bar pattern speed in late-type barred galaxies. Nearly all the bars measured with direct and indirect methods end close to their corotation radius, i.e., they are as rapidly rotating as they can be.

研究の動機と目的

• 星族の運動学に適用されたTremaine-Weinberg法を用いたバーのパターン速度の直接測定をレビュー・体系化し、初期型およびレンチキュラー銀河の星族への応用に焦点を当てる。
• 直接パターン速度測定における主な不確実性要因（特に傾き、位置角、バー長）を特定・分析する。
• 現在の直接測定が初期型・ガスが乏しい銀河に偏っているという選択バイアスを評価し、このバイアスを軽減するため、後期型・ガスが豊富なスパイラルにこの手法を拡張するよう提言する。
• 直接的星族ベースのTW測定と、間接的手法（例：ガスの運動学、リング構造）を比較し、異なる銀河タイプ間での一貫性を評価する。
• 積分場分光法の活用を促進し、TW法の正確性を向上させるとともに、矮星銀河や後期型バリエーションにまでその適用範囲を広げ、サンプルバイアスを低減する。

提案手法

• Tremaine-Weinberg法をディスク銀河の表面輝度およびラインオブスイトヒュース速度マップに適用し、輝度加重平均速度と位置を用いて$\Omega_{\rm bar} \sin i$を導出する。
• トレーサー集団の連続の式を用い、主要な式として$\Omega_{\rm bar} \sin i = \langle V \rangle / \langle X \rangle$を用いる。ここで$\langle V \rangle$および$\langle X \rangle$は、主要軸に沿った輝度加重平均速度および位置である。
• 長スリットおよび積分場分光法データにこの手法を適用し、重み関数$h(Y)$を用いてスリットや空間的アパーチャー全体にわたる統合を行い、運動学的勾配からパターン速度を抽出する。
• ${\cal R}$の不確実性を均一化するため、$a_{\rm bar}$および$R_{\rm CR}$の不確実性を用いたモンテカルロシミュレーションを提案する。
• 一部の例では、ガス成分への応用も行われており（例：Bureau et al. 1999; Fathi et al. 2009）、ガス豊富な後期型銀河における直接測定が可能になっている。
• 星族ベースのTW法の結果と、リング構造、ダストレインオフセット、ガス流れの動力学的モデリングといった間接的手法の結果を比較分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的星族ベースのTremaine-Weinberg法で測定された銀河のバー回転率$\cal R$の分布はいかなるものか？
• RQ2 傾き、位置角、バー長の不確実性が、直接的パターン速度測定の信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 現在の直接測定サンプルが初期型・ガスが乏しい銀河に偏っている程度はどの程度で、そのバイアスはどのように軽減できるか？
• RQ4 矮星銀河や後期型銀河（しばしばダークマターが支配的）のバーは、理論予測通りに遅く回転していると予想されるが、実際の測定ではどうか？
• RQ5 ガスの運動学やリング構造といった間接的手法と比較して、直接的星族ベースのTW測定は一貫性と正確性においてどの程度の結果を示すか？

主な発見

• 直接的星族ベースのTW法で測定されたバーのほとんどは、$1.0 \leq \cal R \leq 1.4$ の回転率を示しており、これは高速回転であり、コリレーション半径近くで終了していることを示している。
• 矮星銀河NGC 4431のバーは、99%信頼区間で$\cal R = 0.6^{+1.2}_{-0.4}$であるが、これはコリレーション半径近くに終了する可能性が高く、著しく短いバーである可能性は低い。これは、銀河タイプにかかわらず類似した形成機構がある可能性を示唆している。
• 形態的タイプとの間に$\cal R$の顕著な傾向は認められず、孤立銀河と弱い相互作用を示す銀河との間に差異も見られず、潮汐的相互作用がバーを遅くするという仮説に反する。
• ガス豊富な銀河において、星族ベースのTW法の結果は間接的手法と整合的であり、ガスがバーのパターン速度の進化に動的には不可欠でないことを支持する。
• 直接的星族ベースのTW測定のサンプルは、明るい初期型銀河（例：SB0、SB0/a）に偏っており、スパイラルは3つ、矮星は1つしか研究対象としていない。これにより、後期型システムへのこの手法の拡張が急務であることが浮き彫りになっている。
• 積分場分光法が、今後のTW応用において優れたツールであることが示されており、特に矮星銀河や後期型バリエーションにおいて、より正確かつ効率的な測定が可能になる。