[論文レビュー] Is Dark Matter in Spiral Galaxies Cold Gas? II. Fractal Models and Star Non-Formation

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

Theoretical and Computational Physics参考文献 5被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、渦巻銀河の外縁部における暗黒物質が、約30 AU、約1木星質量の微小で重力的に束縛されたクラスタ型小塊（clumpuscules）として存在する冷たいフラクタル構造のH2ガスであると提案する。このガスは、頻繁な衝突とほぼ等温状態のため、星形成を抑制する。このガスのフラクタル構造は、標準的な滑らかな雲モデルにおける質量の著しい低減を引き起こし、最大10倍以上も低減される可能性がある。このことは、暗黒物質問題の解決を図るとともに、外縁部における星形成の可能性を残す。

ABSTRACT

Gas cloud models taking into account the recently disclosed fractal structure of cold gas are set up, showing that large errors in the classical gas mass determination based on smooth cloud models can easily follow if the gas is in reality fractal. Fractal clouds must present both optically thin and optically thick clumps in any single wavelength observations. The observed fractal dimension of the cold ISM suggests that mass underestimates by a factor 10 or more are typical. Due to its low temperature (around 3 K), and its condensed fractal structure, together with its low metallicity, the outer gas would be almost invisible for usual detectors. (A&A paper (in press) and figures available by anonymous ftp at obssd8.unige.ch in /pub/fractal as postscript file: dm_paper_II.ps (251k) and FIG*.ps, 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

• 低温（約3 K）かつ高密度であるにもかかわらず、星や木星の形成を伴わず、冷たいジェイムズ不安定ガスが外縁部で安定して存在し続ける理由を説明すること。
• 観測されたHI質量と推定される暗黒物質質量の乖離を解消するため、フラクタルガス構造が古典的質量推定値に大きな低減をもたらすと仮定すること。
• 冷たい自己遮蔽H2ガスが何十億年も安定して存在し、検出されないままに保たれる物理的条件をモデル化し、妥当な暗黒物質候補を提示すること。
• 冷たいISMのフラクタル構造が、観測された面密度の範囲（列密度）と光学的厚さを自然に説明できるか、そしてそれがガス質量推定値にどのように影響するかを調査すること。

提案手法

• 外縁部銀河円盤における冷たいガスの不均一分布をモデル化するため、階層的・自己同形フラクタル雲構造のモンテカルロシミュレーション。
• 約30 AUスケールまで冷たいガスがクラスタ型小塊に分岐するのを模擬するため、フォン・ホルナー型の階層的質量分布の使用。
• フラクタルモデルからの投影列密度および光学的厚さの分析により、滑らかなモデル（2桁）と比較して、表面密度の範囲（5桁以上）を定量化。
• クラスタ型小塊の熱線幅（約0.1 km s⁻¹）および衝突率の計算により、その安定性と収縮への抵抗性を評価。
• 核種サイトおよび昇華エネルギーを考慮したクラスタ型小塊内でのH2生成および凍結率の推定により、固体H2形成の可能性を評価。
• 銀河の回転運動エネルギーがフラクタル階層に安定的に伝達される状態を仮定し、エネルギー伝達バランスから臨界フラクタル次元D ≈ 1.67を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温で高密度なガスが外縁部でジェイムズ不安定でありながらも、星や木星を形成せず、約3 Kで安定して存在し続けるのはなぜか？
• RQ2 冷たいISMのフラクタル構造が、標準的な滑らかな雲モデルにおけるガス質量の系統的低減をどのように引き起こすのか？
• RQ3 最小のクラスタ型小塊（約30 AU、約1 MJ）で、星形成や固体H2の形成を防ぐ物理的条件は何か？ そして、それらがどのように安定を保っているのか？
• RQ4 冷たいガスの観測された列密度範囲（最大5桁）は、滑らかな分布ではなく、フラクタルな不均一性によって説明可能か？
• RQ5 クラスタ型小塊の衝突とほぼ等温状態が、エネルギー散逸の抑制と長期的安定性の維持に果たす役割は何か？

主な発見

• 冷たいガスのフラクタル構造は、滑らかな雲モデルと比較して、最大5桁以上（5桁以上）の列密度範囲を生じる。これは、標準観測における質量の著しい低減を説明する。
• 滑らかな雲モデルに基づく質量推定値は、フラクタル構造内に存在する小規模で高密度なクラスタ型小塊の高い光学的厚さのため、真のガス質量を10倍以上も低く見積もる可能性がある。
• 最小のクラスタ型小塊（半径約30 AU、質量約1木星質量）は重力的に束縛されており、熱線幅は約0.1 km s⁻¹である。頻繁な衝突により収縮から安定している。
• ほぼ等温状態（約3 K）およびクラスタ型小塊内での高い衝突率は、エネルギー散逸を抑制し、数十億年にもわたって星形成なしに安定を保つことを可能にする。
• 銀河の回転エネルギーが階層的構造に安定的に伝達される場合、エネルギー伝達バランスから臨界フラクタル次元D ≈ 1.67が予測される。
• 一部のH2はクラスタ型小塊内で固体化する可能性があるが、これはほこりの核種サイトの存在に強く依存しており、その有効性は未だ不明である。