[論文レビュー] GHOSTS | Bulges, Halos, and the Resolved Stellar Outskirts of Massive Disk Galaxies

Roelof S. de Jong, David J. Radburn-Smith+1 more|ArXiv.org|Oct 29, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、14個の近傍の巨大済み銀河のハッブル宇宙望遠鏡による画像を用い、それらの外縁部に位置する星々の集団を解像し、広がった星の殻構造の特徴を明らかにした。高速回転する銀河（Vrot > 200 km/s）は、外縁部でべき乗則に類似した表面輝度プロファイル（μ ∼ r−2.5）を示しており、これはバルジとこれらのハローとの間の構造的・形成的関連性を示唆するものであり、明るさが弱く急勾配のハローを予測する純粋な階層的吸着モデルに反するものである。

ABSTRACT

In hierarchical galaxy formation the stellar halos of galaxies are formed by the accretion of minor satellites and therefore contain valuable information about the (early) assembly process of galaxies. Our GHOSTS survey measures the stellar envelope properties of 14 nearby disk galaxies by imaging their resolved stellar populations with HST/ACS&WFPC2. Most of the massive galaxies in the sample (Vrot>200 km/s) have very extended stellar envelopes with mu(r) ~ r^{-2.5} power law profiles in the outer regions. For these massive galaxies there is some evidence that the stellar surface density of the profiles correlates with Hubble type and bulge-to-disk ratio, begging the question whether these envelopes are more related to bulges than to a Milky Way-type stellar halo. Smaller galaxies (Vrot 100 km/s) have much smaller stellar envelopes, but depending on geometry, they could still be more luminous than expected from satellite remnants in hierarchical galaxy formation models. Alternatively, they could be created by disk heating through the bombardment of small dark matter sub-halos. We find that galaxies show varying amounts of halo substructure.

研究の動機と目的

• 巨大済み銀河におけるバルジと広がった星のハローの間の構造的・形成的関連性を調査すること。
• 銀河の外縁部における解像された星の集団を測定することで、階層的銀河形成モデルの予測を検証すること。
• 観測された広がった星の成分が、衛星銀河の残骸に起因するのか、あるいはディスク加熱などの内部過程によって形成されたものなのかを評価すること。
• ハロー内の構造的不規則性を定量的に評価し、シミュレーションおよびM31系との比較を行うこと。

提案手法

• 14個の近傍銀河の外縁ディスクおよびハロー部における個々の星を解像するため、HST/ACSおよびWFPC2を用いてF606WおよびF814Wバンドの画像を取得した。
• 色mag図（CMD）において赤色巨星分支（RGB）星を同定し、古く金属量が少ない星の集団を追跡し、表面密度プロファイルをマッピングした。
• RGB星の個数プロファイルとスパッツァー/IRAC 4.5 μm画像を組み合わせ、中心から30 kpcまでの一貫した、校正済みの表面輝度プロファイルを作成した。
• デローニー三角形分割法を用いて表面密度分布を再構築し、ハロー領域における構造的不規則性を検出した。
• マイナー軸プロファイルに指数的ディスクとSérsicプロファイルの組み合わせをフィットさせ、バルジおよび広がったハロー成分をモデル化した。
• 観測されたプロファイルをΛCDM階層的モデル（例：Abadi et al. 2006）およびダークサブハローの衝突を含む代替モデルの予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大済み銀河に見られる広がった星の殻構造は、階層的吸着モデルが予測する構造的・形成的性質と整合性があるか？
• RQ2 中心のバルジと外縁の星の殻構造との間に物理的または構造的関連性があり、共通の起源を示唆するものか？
• RQ3 これらの外縁部の表面輝度プロファイルは、ΛCDM宇宙論における衛星吸着のシミュレーションで予測されるものとどのように異なるか？
• RQ4 観測されたハロー内の構造的不規則性は、衛星吸着やディスク加熱といった内部過程の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 外縁部の観測された光度および表面密度は、微小合体の残骸モデルの予測と整合的か？

主な発見

• 分析対象の9個の銀河のうち8つが、指数的ディスクの外縁に広がった構造を示しており、特に高速回転銀河（Vrot > 200 km/s）では、外縁部の表面輝度プロファイルがr−2.5のべき乗則に類似していることが確認された。
• 巨大銀河（例：NGC 7814、NGC 3031、NGC 891）の外縁殻構造は、標準的なΛCDMハロー・モデルの予測をはるかに上回り、30 kpcでの表面密度が約29 V-mag/arcsec²に達しており、予測よりも明るく広がっていることが判明した。
• Sérsic + べき乗ディスクのフィットが、巨大銀河の全マイナー軸プロファイルをうまく再現しており、バルジと外縁ハローとの間の構造的連続性を示している。
• 観測されたハロー・プロファイルは、10〜30 kpcの範囲でAbadi et al. (2006)のモデル予測よりもやや浅く、やや明るく、これはモデルの不完全さ、あるいはサブハローにおける星形成効率の再評価の必要性を示唆している。
• NGC 4565には明確な構造的不規則性は検出されなかったが、NGC 4631には近くの銀河およびHIストリームに伴う明確な過密度が観測され、構造的不規則性が普遍的ではなく、相互作用の歴史に依存する可能性があることが示された。
• 小規模銀河（Vrot ∼ 100 km/s）の外縁部は、標準的な衛星残骸モデルでは説明できないほど明るく、これはダークマターのサブハローによるディスク加熱によって形成された可能性がある。