[論文レビュー] Galaxy interactions: dark matter vs. Modified Newtonian dynamics (MOND)

Michal Bílek|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 119被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文は、銀河合体によって形成される星間シェルを用いて、楕円銀河における修正ニュートン力学（MOND）を検証するための新規手法を開発する。シェルの半径と運動学的性質を分析することで、著者はNGC 3923において超低加速度域までMONDが観測と整合することを示し、未発見の大型シェルの予測を行う。このシェルは、深紫外画像にもかかわらず検出されていないため、MONDの検証には、さらなる高品質なデータと未来の高分解能分光測定が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

(doctoral thesis of Michal Bilek, finished on June 19, 2015) MOND is an observational rule for predicting the acceleration of stars and galaxies from the distribution of the visible matter. It possibly stems from a new law of physics. I list the theoretical aspects of MOND, its achievements and problems. MOND has been tested mainly in disc galaxies so far. Its tests in elliptical galaxies are rare because the MOND effects are small for them in the parts observable by the conventional methods. In the thesis, I explain the methods and ideas I developed for testing MOND in the ellipticals using stellar shells. Moreover, the shells enable us to test MOND for stars in radial orbits for the first time. The shells are results of galactic interactions. I discuss the shell formation mechanisms and summarize the findings from shell observations and simulations. The thesis contains as yet unpublished results mainly in: 1) the introduction of Sect. 3 (the expected differences in the shell morphology in the Newtonian dynamics with dark matter and in MOND), and 2) Sect. 2.4.1 (formulas for modeling the evolution of shell radii).

研究の動機と目的

• MOND効果が弱く、従来の検証手法が限られる楕円銀河において、MONDを検証するための手法を開発すること。
• 微小な合体によって形成される星間シェルを、低加速度領域における重力的ダイナミクスのプローブとして活用すること。
• MONDが、楕円銀河NGC 3923におけるシェルの半径と運動学的性質を一貫して予測できるかどうかを検証すること。
• MONDに基づき、NGC 3923に未発見の大型シェルが存在すると予測し、超深紫外画像を用いてその探査を試みること。
• シェルスペクトルが、径方向軌道系における円運動速度および膨張速度のMOND予測を検証する可能性を検討すること。

提案手法

• 重力ポテンシャルを制約するために、径方向表面輝度プロファイルからシェル系を特定・モデル化する手法を開発した。
• 軸対称系におけるシェル半径を予測する解析的モデルを適用し、以前に発表されていなかった正確な数式を含んだ。
• 位相包み込み型微小合体モデルを主な形成機構とし、シミュレーションおよび観測によってその妥当性を検証した。
• 全バリオン質量とMOND補間関数に基づき、MOND予測のシェル半径を計算した。
• シェルスペクトルからの速度プロファイルをモデル化し、MOND仮定のもとで膨張速度および円運動速度を導出した。
• カナダ＝フランス＝ハワイ望遠鏡（CFHT）を用いて、表面輝度限界29 mag arcsec⁻²に達する超深紫外画像を取得し、予測されたシェルの探査を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加速度が1.2×10⁻¹⁰ m s⁻²未満の領域において、MONDは楕円銀河NGC 3923における星間シェルの径方向分布を説明できるか？
• RQ2 MONDは、以前に検出されていなかった大型シェルがNGC 3923に存在すると予測できるか。また、深紫外画像で観測可能か？
• RQ3 特に膨張速度および円運動速度の観点から、MONDとダークマターを含むニュートン的力学との間で、シェル運動学的性質にどのような差が生じるか？
• RQ4 NGC 3923に観測された42個のシェルという高い数は、MONDモデルとダークマターモデルの区別に役立つだろうか？
• RQ5 MONDにおける動的摩擦効果はニュートン的力学とどのように異なり、シェルの形態からその差を制約できるだろうか？

主な発見

• NGC 3923におけるシェルの径方向分布は、約1.2×10⁻¹⁰ m s⁻²の加速度までMONDの予測と整合している。
• MONDに基づき、NGC 3923に新たな大型シェルが予測されたが、29 mag arcsec⁻²の表面輝度に達する超深紫外画像にもかかわらず、検出されていない。
• 予測されたシェルが検出されなかったことから、分析に使用された初期データの品質が低かった可能性が示され、シェル系の性質を再評価する必要がある。
• NGC 3923に観測された42個のシェルは、複雑な合体歴を示しており、少なくとも2つの前身天体が存在し、そのうちの1つはまだ観測可能である。
• MONDにおけるシェルスペクトルから、非常に大きなシェルでは膨張速度および円運動速度が全バリオン質量によって決定されると予測され、新たな検証可能な予測が得られる。
• シェル系の形態と運動学的性質は、MONDとダークマターを含むニュートン的力学における動的摩擦の違いを独自に探査する手段を提供するが、完全な検証には自己自己一貫性のあるシミュレーションが必要である。