[論文レビュー] Investigating hot gas in the halos of two massive spirals: Observations and cosmological simulations

J. Rasmussen, Jesper Sommer‐Larsen+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2006

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

ひとこと要約

本研究では、質量の大きなスパイラル銀河NGC 5746の周囲に、~7×10³⁹ erg s⁻¹の輝度を持つ熱いX線発光ハローの初回の懸念材料の検出を報告する。このハローは~20 kpcまで延びており、ディスクからの吹き出しではなく、外部から降着する熱いガスの放射冷却と整合的である。宇宙論的シミュレーションは、この降着シナリオを確認しており、質量の大きなスパイラル銀河におけるバリオン燃料の貯留源としての熱いハローの役割を支持する。

ABSTRACT

Models of disk galaxy formation commonly predict the existence of an extended reservoir of hot gas surrounding massive spirals at low redshift. As a test of these models, we have obtained X-ray and optical data of the two massive edge-on spirals NGC 5746 and NGC 5170, in order to investigate the amount and origin of hot gas in their disks and halos. Chandra observations of NGC 5746 reveal evidence for diffuse X-ray emission with a total luminosity of ~7 x 10^39 erg/s surrounding this galaxy out to at least ~20 kpc from the disk, whereas an identical study of the less massive NGC 5170 fails to detect any extraplanar X-ray emission. Unlike the case for other disk galaxies with detected X-ray halos, the halo emission around NGC 5746 is not accompanied by extraplanar H-alpha or radio emission, and there is no evidence for significant nuclear or starburst activity in the disk. In contrast to these other cases, the emission around NGC 5746 therefore appears to arise from the cooling of externally accreted material rather than from disk outflows. To verify this idea, we present results of cosmological simulations of galaxy formation and evolution, showing our observations to be in good agreement with expectations for cosmological accretion, while also confirming that the X-ray halos of other spirals do not fit well into an accretion scenario. We find that the estimated cooling rate of hot halo gas around NGC 5746 would provide sufficient material for star formation in the disk to proceed at its present rate. This lends support to the idea that a supply of hot ambient gas is potentially available as fuel for star formation in massive, nearby spirals, and suggests that accretion of hot gas could be important for maintaining the stellar disks of such galaxies.

研究の動機と目的

• 宇宙論的銀河形成モデルが予測するように、質量の大きなスパイラル銀河が拡張した熱いガス状ハローを持つかどうかを検証すること。
• 2つの質量の大きな縁側スパイラル銀河、NGC 5746およびNGC 5170のハローにおける拡散的X線発光の起源を特定すること。
• 観測されたX線発光の原因としての熱いガスの降着とディスク駆動型吹き出しの両者を区別すること。
• 熱いハロー状ガスが、銀河における欠落しているバリオン質量にどの程度寄与しているかを評価すること。

提案手法

• NGC 5746およびNGC 5170における拡散的準平面外X線発光の検出を目的として、チャンドラX線望遠鏡による観測を実施した。
• 星形成または吹き出しに関連するイオン化ガスの探索を目的として、光学的Hαイメージングを実施した。
• X線発光のスペクトル解析を、温度および金属量の推定にための熱いプラズマモデルを用いて実施した。
• 宇宙論的銀河形成シミュレーションを用いて、観測されたX線特性と熱いハロー降着の予測を比較した。
• 熱いハロー状ガスの冷却率を推定し、NGC 5746のディスクにおける観測された星形成率と比較した。
• 非検出の有意性とシミュレーションとの整合性を評価するため、NGC 5170に統計的上限を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 5746のハローにおける拡散的X線発光は、ディスクからの吹き出しではなく、外部から降着した熱いガスの冷却と整合的であるか？
• RQ2 Hαまたは電波発光が検出されないにもかかわらず、NGC 5746のX線ハロー発光の起源は何か？
• RQ3 宇宙論的シミュレーションは、NGC 5746の観測されたX線輝度および温度をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 熱いハロー状ガスの冷却率は、NGC 5746のディスクにおける現在の星形成率を充足するのに十分か？
• RQ5 熱いハロー状ガスは、質量の大きなスパイラル銀河における欠落しているバリオン質量にどの程度寄与しているか？

主な発見

• NGC 5746における拡散的X線発光は、0.3–2 keVエネルギー領域の全輝度が~7×10³⁹ erg s⁻¹であり、ディスクから少なくとも20 kpcまで延びている。
• X線スペクトルは、温度が~0.5 keV、金属量がZ ≤ 0.1 Z⊙の熱いプラズマモデルで最もよくフィットするが、確認にはより深いデータが必要である。
• 関連するHαまたは電波発光は検出されず、星形成や吹き出しによるX線発光の原因である可能性は低い。
• NGC 5170におけるX線発光の非検出は、3σ上限として~3×10³⁹ erg s⁻¹を示し、シミュレーションの予測と整合的である。
• 宇宙論的シミュレーションは、NGC 5746の観測されたX線特性と非常に良好に一致しており、ハロー状ガスの降着起源を支持する。
• 熱いハロー状ガスの冷却率は、NGC 5746のディスクにおける現在の星形成率を充足するのに十分であり、バリオン燃料の有効な供給源であると示唆される。