[論文レビュー] Dynamics of the NGC 4636 globular cluster system II. Improved constraints from a large sample of globular cluster velocities

Y. Schuberth, T. Richtler+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 80被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、NGC 4636の周りの460個の球状星団の径速度を大規模に提示し、新たなVLT/FORS2データと既存の観測を統合することで、銀河の暗黒ハローの動力学的モデリングを改善した。星の運動・球状星団の運動を用いたジェインス解析により、Rバンドにおける星の質量光度比は5.8であった。これはMONDの予測と一致しており、金属量勾配を考慮した場合にのみX線質量プロファイルとよく一致し、X線質量推定値においてこのような補正が必要であることを支持する。

ABSTRACT

We present new radial velocities for 289 globular clusters around NGC 4636, the southernmost giant elliptical galaxy of the Virgo cluster. The data were obtained with FORS2/MXU at the Very Large Telescope. Together with data analysed in an earlier study (Schuberth et al. 2006), we now have a sample of 460 globular cluster velocities out to a radius of 12 arcmin (60 kpc) available - one of the largest of its kind. This new data set also provides a much more complete angular coverage. Moreover, we present new kinematical data of the inner stellar population of NGC 4636. We perform an updated Jeans analysis, using both stellar and GC data, to better constrain the dark halo properties. We find a stellar M/L-ratio of 5.8 in the R-band, higher than expected from single stellar population synthesis. We model the dark halo by cored and cuspy analytical halo profiles and consider different anisotropies for the tracer populations. Properties of NFW halos lie well within the expected range of cosmological simulations. Cored halos give central dark matter densities, which are typical for elliptical galaxies of NGC 4636's luminosity. The surface densities of the dark matter halos are higher than those of spiral galaxies. We compare the predictions of Modified Newtonian Dynamics with the derived halo properties and find satisfactory agreement. Therefore NGC 4636 therefore falls onto the baryonic Tully-Fisher relation for spiral galaxies. The comparison with the X-ray mass profile of Johnson et al. (2009) reveals satisfactory agreement only, if the abundance gradient of hot plasma has been taken into account. This might indicate a general bias towards higher masses for X-ray based mass profiles in all systems, including galaxy clusters, with strong abundance gradients.

研究の動機と目的

• より大規模かつ包括的な球状星団径速度サンプルを用いて、NGC 4636の暗黒物質ハローの制約を改善すること。
• 観測された速度分散と動力学的モデルを比較することで、星の質量光度比を精緻化すること。
• 加熱されたプラズマ内の金属量勾配を考慮した場合に、導出された質量プロファイルがX線ベースの質量プロファイルとどの程度整合するかを検証すること。
• 修正ニュートン動力学（MOND）とNFW/コア付きハロー・モデルが、球状星団系の運動学的特徴を説明できるかどうかを検証すること。
• 集団の運動学的非等方性と外縁部における速度分散プロファイルの信頼性が質量モデリングに与える影響を評価すること。

提案手法

• VLT/FORS2/MXUを用いて289個の新たな球状星団径速度を取得し、合計460個の球状星団（12アーキ秒、60 kpcまで）にまでサンプルを拡大した。
• 星の光と球状星団の運動学的データを用いて、球状星団のサブポピュレーション（青と赤）に対して球対称ジェインス解析を実施し、全質量プロファイルをモデリングした。
• NFW、バーゲルト、対数的プロファイルを含む解析的暗黒ハロー・モデルに、トレーサー集団の非等方性パラメータを変化させてフィットさせた。
• ジョンソンら（2009年）のX線質量プロファイルと比較し、X線解析に金属量勾配を組み込む影響を検証した。
• 円運動速度と表面密度の比較を通じて、結果がバリオン性Tully-Fisher関係とMOND予測とどの程度整合するかを評価した。
• 再評価された距離17.5 Mpcを用いて星の質量光度比を再キャリブレーションし、動力学的整合性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 より大規模な球状星団速度サンプルを用いることで、NGC 4636の暗黒物質ハローに対する制約はどの程度改善されたか？
• RQ2 Rバンドにおける星の質量光度比は、パラメトリック合成モデルの予測と比較してどう異なるか？これは初期質量関数にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 X線ベースの質量プロファイルと、球状星団運動学から導出された動力学的質量プロファイルの一致度は、加熱されたプラズマの金属量勾配を考慮した場合にどの程度向上するか？
• RQ4 運動学的データは、修正ニュートン動力学（MOND）または標準的な冷たい暗黒物質ハロー・モデルを支持するか？
• RQ5 青と赤の球状星団の軌道的非等方性は等方性と整合的か？また、それらは質量モデリングにどのような影響を及えるか？

主な発見

• Rバンドにおける星の質量光度比は5.8であり、標準的な単一星族合成モデルの予測を上回っており、局所の若い星団とは異なり、より急な初期質量関数を示唆している。
• 星の光と青い球状星団を用いた最良の統合対数的ハロー・モデルでは、コア半径r₀ = 8 kpc、円運動速度v₀ = 237 km/sであった。
• ジョンソンら（2009年）のX線質量プロファイルは、加熱されたプラズマの金属量勾配を考慮した場合にのみ、動力学的質量プロファイルとよく一致する。勾配を無視すると、質量を著しく過大評価する。
• NGC 4636のハロー表面密度は、同光度の楕円銀河の典型値であり、他の早期型銀河と類似しており、コア付きハロー・モデルとの整合性を支持する。
• NGC 4636は、スパイラル銀河のバリオン性Tully-Fisher関係に近く、特にa = 1.2 × 10⁻¹⁰ m/s²の条件下でMOND予測と動力学的に整合する。
• 赤い球状星団集団を用いたフィットは、青い集団を用いた場合に比べて一貫して悪いが、その理由は未だ不明である。