[論文レビュー] Is Dark Matter in Spiral Galaxies Cold Gas? I. Observational Constraints and Dynamical Clues About Galaxy Evolution

D. Pfenniger, F. Combes+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 1993

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 54

ひとこと要約

この論文は、渦巻銀河におけるダークマターが主に冷たい分子性ガスであると提案し、回転支持と動的安定性を持つものとして、平坦な回転曲線やガスの急速な消費といった主要な謎を解消する。観測されたダークマター対HI質量比の一定性とガス豊富な相互作用は、不均一性と高い光学濃度によるガス質量の低減評価に起因すると主張し、ガス的ダークマターの起源を提示することで、動的制約と銀河進化モデルを調和させる。

ABSTRACT

Based on dynamical constraints about the Hubble sequence evolution, observational data and a number of "conspiracies", we propose that the dark matter around spiral galaxies is in the form of cold gas, essentially in molecular form and rotationally supported. (full A&A paper (in press) available by anonymous ftp at obssd8.unige.ch in /pub/fractal as postscript file: dm_paper_I.ps (170k), or papers I & II + figures as a compressed tar file dm_papers.Z.tar (2.1 Mb)).

研究の動機と目的

• 平坦な回転曲線の長年の謎を、ガス的ダークマターの起源によって解消すること。
• 外縁部におけるダークマター対HI質量比の観測的一定性を、動的進化モデルと調和させること。
• ガスの消費が観測値よりも速いという「ガス消費問題」を、ガス質量推定値の再評価によって解決すること。
• ダークマターとHI質量比の観測的一致が、不均一性によるガス質量の低減評価によって説明可能かどうかを検討すること。
• 冷たい、不均一なガスディスクの動的安定性が、粒子的ダークマターモデルの代替として妥当であるかどうかを評価すること。

提案手法

• バーの駆動による定常的進化とバルジ成長を強調するハッブル系列の進化を分析し、渦巻銀河の変換に要する時間スケール（1–2 Gyr）を推定する。
• 回転曲線とHI 21 cm観測からの動的制約を適用し、質量分布とダークマター含量を推定する。
• N体シミュレーションと安定性理論（例：Kalnajs 1987）を用いて、ハローの役割とガス豊富なディスクにおけるバー形成の妥当性を評価する。
• ISMの不均一性がガス質量推定に与える影響を評価し、特に高い光学濃度とCMBとの熱平衡の影響を検討する。
• 内部不安定性と星形成を通じて、ガス豊富で不安定なディスクから安定な指数的プロファイルを持つシステムへの移行をモデル化する。
• HI質量測定値が、不均一性と高い柱密度のおかげで、真のガス質量を10倍以上低く評価している可能性を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦な回転曲線は、粒子的ダークマターではなく、回転支持された冷たい分子性ガスディスクによって説明可能だろうか？
• RQ2 なぜ渦巻銀河の外縁部におけるダークマター対HI質量比は概ね一定なのか？
• RQ3 星間ガスの消費 timescale が速いにもかかわらず、なぜ渦巻銀河は長期的に安定しているのか？
• RQ4 ISMの不均一で不連続な構造が、HIサーベイにおける総ガス質量の系統的低減評価にどの程度寄与するのか？
• RQ5 冷たい、ガス的ダークマター成分は、宇宙論的スケールで動的安定性と自己整合性を保っているだろうか？

主な発見

• 外縁部におけるダークマター対HI質量比の観測的一定性は、高い光学濃度と不均一性を持つ冷たい分子性ガスであるダークマターが前提であれば、自然に説明できる。
• HI 21 cm観測によるガス質量推定値は、高い柱密度と不均一な分布のおかげで、真のガス質量を10倍以上低く評価している可能性がある。
• 冷たい、不均一なガスディスクの動的安定性は、従来の予想よりも問題が少ない。特に3 KのCMBとの熱平衡を考慮すると顕著である。
• 1–2 Gyrにわたるバー駆動の定常的進化により、ガス豊富なSd型の渦巻銀河がバルジ中心のSa型銀河に変換されうる。これは急速な内部進化を示唆する。
• ハッブル系列全体にわたるダークマターとHI質量比の観測的一致は、ダークマターがガス相を経て星に変換される過程を示唆する。
• 核融合生成の制約から、バリオン的ダークマター寄与量はΩb ≈ 0.1に制限され、銀河ディスク内の提案された冷たいガス成分と整合的である。