[論文レビュー] Galaxy Mass and Luminosity Scaling Laws Determined by Weak Gravitational Lensing

Timothy A. McKay, E. Sheldon+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文はスローン進化宇宙望遠鏡（SDSS）データからの弱い重力レンズ効果を用いて、銀河-質量相関関数（GMCF）を測定し、ΔΣ₊ ∝ (R/1 Mpc)⁻⁰.⁸±⁰.² h M☉ pc⁻² のべき乗則的スケーリングを明らかにした。銀河質量（M₂₆₀）と赤帯（g′, r′, i′, z′）の光度の間に強く線形的な関係が見られ、スパイラル銀河および楕円銀河、および環境にかかわらず一貫した質量-光度比が得られたことから、銀河形成とダークマターハローの間には普遍的な関係があることが示唆された。

ABSTRACT

We present new measurements of scaling laws relating the luminosity of galaxies to the amplitude and shape of their dark matter halos. Early imaging and spectroscopic data from the Sloan Digital Sky Survey are used to make weak lensing measurements of the surface mass density contrast Delta Sigma_+ around classes of lens objects. This surface mass density contrast as a function of radius is a measure of the galaxy-mass correlation function (GMCF). Because spectroscopic redshifts are available for all lens objects, the mass and distance scales are well constrained. The GMCF measured around ~31,000 lenses is well fit by a power law of the form Delta Sigma_+ = (2.5+0.7-0.6) (R/1 Mpc)^{-0.8+-0.2} h M_sun pc^-2. We compare this GMCF to galaxy luminosity, type, and environment, and find that it varies strongly with all three. We quantify these variations by comparing the normalization of a fit to the inner 260 h^-1 kpc, M_260, to the galaxy luminosity. While M_260 is not strongly related to luminosity in bluest band u', there is a simple, linear relation between M_260 and luminosity in redder bands (g', r', i', and z'). We test the universality of these mass-to-light scalings by independently measuring them for spiral and elliptical galaxies,and for galaxies in a variety of environments. We find remarkable consistency in these determinations in the red bands, especially i' and z'. This consistency across a wide range of systems suggests that the measured scaling represents an excellent cosmic average, and that the integrated star formation history of galaxies is strongly related to the dark matter environments in which they form.

研究の動機と目的

• 弱い重力レンズを用いて、銀河の光度とダークマター・ハロー質量のスケーリング関係を測定すること。
• 質量-光度比が異なる銀河タイプ（スパイラル対比して楕円）および環境において普遍的かどうかを特定すること。
• スクリプト赤方偏移を用いて正確な距離と質量補正を実施し、高精度で銀河-質量相関関数（GMCF）を制約すること。
• 多様な銀河集団および宇宙構造において、質量-光度スケーリング法則の整合性を評価すること。
• 明るい銀河とそのダークマター・ハローの関係を観測的に制約し、銀河形成モデルおよびN体シミュレーションに寄与すること。

提案手法

• 背景源銀河の弱い重力レンズを用いて、約31,000個のレンズ銀河の周囲で表面質量密度対比ΔΣ₊を測定した。
• すべてのレンズ銀河にスクリプト赤方偏移を用いて、正確な距離と物理的スケールを決定した。
• 観測されたGMCFをべき乗則モデルに適合：ΔΣ₊ = (2.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶)(R/1 Mpc)⁻⁰.⁸±⁰.² h M☉ pc⁻²。
• 260 h⁻¹ kpc内でのGMCFの正規化（M₂₆₀）を、複数の光度バンド（u′, g′, r′, i′, z′）における銀河光度と比較した。
• 銀河タイプ（スパイラル／楕円）および環境ごとにサンプルを分割し、質量-光度スケーリングのばらつきをテストした。
• 高品質なSDSS画像および分光データを用いて、形状測定とソースカタログの完全性を、先行研究よりも向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河-質量相関関数（GMCF）は半径とともにどのようにスケーリングされ、物理的単位での正規化はいかほどか？
• RQ2 特に赤帯において、銀河質量（M₂₆₀）と光度の間に線形的関係があるか？
• RQ3 スパイラル銀河と楕円銀河の間で、質量-光度スケーリング法則に顕著な差異があるか？
• RQ4 質量-光度比は、異なる宇宙環境（例：銀河団対バナダイ）で一貫しているか？
• RQ5 SDSSからの弱いレンズ測定は、明るい銀河とダークマター・ハローの間の関係をしっかり制約できるか？

主な発見

• 銀河-質量相関関数（GMCF）は、べき乗則でよく記述される：ΔΣ₊ = (2.5⁺⁰.⁷₋₀.⁶)(R/1 Mpc)⁻⁰.⁸±⁰.² h M☉ pc⁻²。
• M₂₆₀はu′バンド光度とは有意な相関を示さないが、赤みがかったバンド（g′, r′, i′, z′）の光度と強く線形的関係にある。
• 特にi′およびz′バンドにおいて、スパイラル銀河および楕円銀河の両方で質量-光度スケーリングが顕著に一貫している。
• 多様な銀河タイプおよび環境にわたる一貫性から、観測されたスケーリングは宇宙平均を反映しており、銀河形成とダークマター・ハローの性質の間には普遍的な関係があると考えられる。
• 今後の大規模な研究では、銀河質量および形成歴史を最もよく探査できるよう、赤帯での光度測定を優先すべきである。
• SDSSデータは、最終調査面積の4％にとどまっているが、すでに統計的分析に十分な信号対雑音比を提供しており、全データが得られれば精度が5倍以上向上すると予想される。