[論文レビュー] Fundamental properties of the dark and the luminous matter from Low Surface Brightness discs

Chiara Di Paolo, P. Salucci|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 254被引用数 4

ひとこと要約

本レビューは、個別およびスタックド回転曲線の詳細な質量モデリングを通じて、低表面ねらい度（LSB）銀河における暗黒物質（DM）および発光物質（LM）の基本的性質を調査する。重力加速度（g）とバリオン加速度（gb）の間に、銀河の半径およびディスクスケール長に依存する、物理的に意味のある緊密な関係が明らかになり、ΛCDMモデルに挑戦するものであり、LMとDMの間の重力的でない相互作用を示唆する。

ABSTRACT

Dark matter (DM) is one of the biggest mystery in the Universe. In this review, after a brief discussion of the DM evidences and the main proposed candidates and scenarios for the DM phenomenon, we focus on recent results on rotating disc galaxies giving a special attention to the Low Surface Brightness (LSB) galaxies. The main observational properties related to the baryonic matter in LSBs, investigated over the last decades, are briefly recalled. Next, the LSBs are analysed by means of the mass modelling of their rotation curves both individually and stacked. The latter analysis, via the Universal Rotation Curve (URC) method, results really powerful in giving a global/universal description of the disc galaxies properties. We show the presence in LSBs of scaling relations between the galactic structural properties and we compare them with those of galaxies of different morphologies. The findings confirm, for all disc systems, a strong entanglement between the luminous matter (LM) and the DM. Moreover, we report how in LSBs the tight relationship between their radial gravitational acceleration $g$ and their baryonic component $g_b$ results to also depend on the galactic radius at which the former have been measured. Finally, LSB galaxies strongly challenge the $Λ$CDM scenario with the relative collisionless dark particle and, alongside with the non-detection of the latter, contribute to guide us towards a new scenario for the DM phenomenon.

研究の動機と目的

• 低表面ねらい度（LSB）銀河の構造的および動力学的性質を、暗黒物質（DM）と発光物質（LM）の相互作用のプローブとして分析すること。
• 個別およびスタックド回転曲線（RC）モデリングを用いて、LSBにおける回転曲線（RC）関係の普遍性を検証すること。
• LSB銀河で観測されたg-gb関係が、重力以外の発光物質と暗黒物質の直接的相互作用を示唆するかどうかを調査すること。
• 特にWIMPsの非検出という事実を踏まえ、LSB銀河における矛盾を強調することで、ΛCDMのシナリオに挑戦すること。
• 今後の観測戦略を、LSB銀河の運動学的および構造的研究を通じて暗黒物質の性質を解明する上で効果的に導くこと。

提案手法

• 個別およびスタックド回転曲線（RC）モデリングを用いて、LSB銀河の質量分布を導出し、普遍的関係を検証する。
• 全銀河的で統計的に信頼性の高いLSBシステムの特性を抽出するために、ユニバーサル回転曲線（URC）法を適用する。
• 重力的加速度gがバリオン加速度gbおよび銀河構造にどのように依存するかを定量化するために、正規化半径x ≡ r/Roptを用いる。
• g-gb関係の固有分散を分析することで、相関の物理的有意性およびディスクスケール長に依存する程度を評価する。
• LSB銀河における観測されたスケーリング関係を、通常のスパイラル銀河との比較を通じて、系統的な違いを特定する。
• 銀河のコンactness（C⋆）およびハロー質量範囲（5デシケード）が、DMおよびLM分布の形作りに果たす役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSB銀河におけるg-gb関係は、ディスクスケール長や加速度を測定する半径といった銀河の構造的パラメータに依存するか？
• RQ2 LSB銀河における観測されたスケーリング関係は、通常のスパイラル銀河とどの程度異なるか？ そして、これは普遍的なDMおよびLM相関にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 LSB銀河におけるg-gb関係の緊密さは、ΛCDMによってのみ説明可能か、それとも発光物質と暗黒物質の間の重力的でない相互作用を要請するか？
• RQ4 巨大LSB銀河（HSBディスクを有する）と矮星LSB銀河の運動学的および構造的性質にはどのような相違があるか？ そして、これはハロー質量の進化に何を明らかにするか？
• RQ5 LSB銀河における発光物質-暗黒物質相互作用の存在を最も効果的に探査する観測戦略は何か？

主な発見

• LSB銀河では、重力的加速度gとバリオン加速度gbの間に緊密な関係が観測され、半径x ≡ r/Roptで正規化することで、固有分散が顕著に減少する。
• LSB銀河におけるg-gb関係は、星形成ディスクの長さスケールおよび加速度を測定する半径に依存しており、LMとDMの間のより深い物理的関係を示唆する。
• LSB銀河と通常のスパイラル銀河との間には、約0.2デシケードの系統的差異が存在し、形成または進化歴の相違を示唆する。
• LSB銀河における観測されたスケーリング関係は、他の形態の銀河のものと形が類似しており、ディスク系において発光物質と暗黒物質の普遍的な絡み合いを示唆する。
• WIMPsの非検出と、LSB銀河における頑健なg-gb相関を併せ考えると、重力を超えた発光物質と暗黒物質の直接的相互作用を検討する必要があると強く示唆される。
• 今後の高赤方偏移運動学的観測およびALMA、SKA、WFIRST、ELTによる解像度の向上により、LSB銀河におけるDMおよびLMの進化と性質に関する決定的証拠が得られると期待される。