[論文レビュー] Knowing the unknowns: uncertainties in simple estimators of dynamical masses

David J. R. Campbell, Carlos S. Frenk+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、APOSTLE宇宙論的シミュレーションを用いて、分散支持銀河の分析的質量推定器を評価し、既存の手法（WalkerらおよびWolfら）が、3次元星族分布の形状に関する不確実性のため、低バイアスではあるが散乱が大きく（23–25%）なることを明らかにした。本研究では、散乱を20%に低減する新しい最適推定器を提案し、天の川のdSph衛星のような系における質量推定の精度を顕著に向上させた。

ABSTRACT

The observed stellar kinematics of dispersion-supported galaxies are often used to measure dynamical masses. Recently, several analytical relationships between the stellar line-of-sight velocity dispersion, the projected (2D) or deprojected (3D) half-light radius, and the total mass enclosed within the half-light radius, relying on the spherical Jeans equation, have been proposed. Here, we make use of the APOSTLE cosmological hydrodynamical simulations of the Local Group to test the validity and accuracy of such mass estimators for both dispersion and rotation-supported galaxies, for field and satellite galaxies, and for galaxies of varying masses, shapes, and velocity dispersion anisotropies. We find that the mass estimators of Walker et al. and Wolf et al. are able to recover the masses of dispersion-dominated systems with little systematic bias, but with a one-sigma scatter of 25 and 23 percent, respectively. The error on the estimated mass is dominated by the impact of the 3D shape of the stellar mass distribution, which is difficult to constrain observationally. This intrinsic scatter becomes the dominant source of uncertainty in the masses estimated for galaxies like the dwarf spheroidal (dSph) satellites of the Milky Way, where the observational errors in their sizes and velocity dispersions are small. Such scatter also affects the inner density slopes of dSphs derived from multiple stellar populations, relaxing the significance with which Navarro-Frenk-White profiles may be excluded. Finally, we derive a new optimal mass estimator that removes the residual biases and achieves a statistically significant reduction in the scatter to 20 percent overall for dispersion-dominated galaxies, allowing more precise and accurate mass estimates.

研究の動機と目的

• 分散支持および回転支持銀河に対して広く用いられている分析的質量推定器の正確性と信頼性を評価すること。
• 特に観測誤差が小さい矮小球状銀河（dSph）において、動的質量推定値の主な不確実性要因を特定すること。
• 3次元星族質量分布の形状が質量推定の散乱に与える影響を定量化すること。
• 残りのバイアスを最小限に抑え、既存手法を下回る散乱を実現する新しい質量推定器を開発すること。
• 質量推定の不確実性を低減することで、dSphの内部密度プロファイルの制約を強化すること。

提案手法

• ローカルグループの高解像度APOSTLE宇宙論的流体力学的シミュレーションを用い、現実的な星の運動学および質量分布をモデル化する。
• 球対称のジェイン方程式を適用し、速度分散、半光半径、および閉じた質量の間の解析的関係を導出する。
• WalkerらおよびWolfらの推定器を、多様な形状、質量、非等方性プロファイルを持つシミュレート銀河に適用する。
• 推定された質量と真の質量を比較することで、質量推定の散乱を定量し、3次元形状の誤推定が果たす寄与を分離する。
• シミュレーションデータに基づくキャリブレーションを通じて、残りバイアスと散乱を最小化することで、新しい最適質量推定器を導出する。
• 新しい推定器が、フィールドおよび衛星系を含む多様な銀河タイプ、および異なる速度分散非等方性に対して有効であるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な宇宙論的シミュレーションにおいて、分散支持および回転支持銀河に対して既存の分析的質量推定器（WalkerらおよびWolfら）はどの程度正確か？
• RQ2 観測誤差が小さい銀河（dSphなど）において、動的質量推定値の散乱の主な要因は何か？
• RQ3 星族質量分布の3次元形状が、質量推定器の信頼性にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 既存手法を下回る散乱を実現しながら低バイアスを維持する新しい質量推定器を導出できるか？
• RQ5 新しい推定器による散乱の低減が、dSphにおけるNavarro-Frenk-Whiteプロファイルの除外に与える有意性にどのように影響するか？

主な発見

• WalkerらおよびWolfらの質量推定器は、分散支配銀河の質量を最小限の系統的バイアスで回復するが、それぞれ1σの散乱が25%および23%にのぼる。
• 質量推定値の固有の散乱は、観測的に制約しがたい3次元星族質量分布の形状に関する不確実性に起因している。
• サイズおよび速度分散の観測誤差が小さい天の川のdSph衛星では、3次元形状に起因する散乱が主な不確実性要因となる。
• 質量推定値の散乱は、内部密度勾配の測定の有意性に影響を与え、dSphにおけるNavarro-Frenk-Whiteプロファイルの除外根拠を弱める。
• 本研究では、分散支配銀河に対して全体の散乱を20%に低減する新しい最適質量推定器を導出し、統計的に有意な改善を達成した。
• 新しい推定器は残りバイアスを排除し、特に低質量で分散支持の銀河において、より正確で精密な動的質量推定を可能にする。