[論文レビュー] MaNGA DynPop -- III. Stellar dynamics versus stellar population relations in 6000 early-type and spiral galaxies: Fundamental Plane, mass-to-light ratios, total density slopes, and dark matter fractions

Kai Zhu, Shengdong Lu+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 152被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、MaNGA調査から得た6,000個の近接した初期型・後期型銀河について、質量、サイズ、速度分散を質量平面を介して結ぶ動的スケーリング関係を提示する。低速度分散域ではダークマターが支配する放物線的M/L–σ関係が示され、高σ域では全密度勾配が急峻になり、σ < 100 km s⁻¹の領域では平均ダークマター割合が8%から33%に上昇する。

ABSTRACT

We present dynamical scaling relations, combined with the stellar population properties, for a subsample of about 6000 nearby galaxies with the most reliable dynamical models extracted from the full MaNGA sample of 10K galaxies. We show that the inclination-corrected mass plane (MP) for both early-type galaxies (ETGs) and late-type galaxies (LTGs), which links dynamical mass, projected half-light radius $R_{ m e}$, and the second stellar velocity moment $σ_{ m e}$ within $R_{ m e}$, satisfies the virial theorem and is even tighter than the uncorrected one. We find a clear parabolic relation between $\lg(M/L)_{ m e}$, the total mass-to-light ratio within a sphere of radius $R_{ m e}$, and $\lgσ_{ m e}$, with the $M/L$ increasing with $σ_{ m e}$ and for older stellar populations. However, the relation for ETGs is linear and the one for the youngest galaxies is constant. We confirm and improve the relation between average logarithmic total density slopes $\overline{γ_{ m T}}$ and $σ_{ m e}$: $\overline{γ_{ m T}}$ become steeper with increasing $σ_{ m e}$ until $\lg(σ_{ m e}/{ m km\,s^{-1}})\approx 2.2$ and then remain constant around $\overline{γ_{ m T}}\approx -2.2$. The $\overline{γ_{ m T}}-σ_{ m e}$ variation is larger for LTGs than ETGs. At fixed $σ_{ m e}$ the total density profiles steepen with galaxy age and for ETGs. We find generally low dark matter fractions, median $f_{ m DM}(

研究の動機と目的

• MaNGAの空間分解された運動論的データを用いて、6,000個の近接銀河の包括的で多様なサンプルに対して、質量平面というきめの細かい動的スケーリング関係を確立すること。
• 銀河タイプにわたる星間動力学（例：質量対光度比、密度勾配）と星団性質（例：年齢、金属量）の相乗的関係を調査すること。
• 有効半径（Rₑ）内でのダークマター割合を定量化し、その運動論的および星団パラメータへの依存関係を評価すること。
• 星間質量対光度比の空間的変動を含むさまざまな仮定のもとでの動的モデルの頑健性を検証すること。
• バルク成長およびドライ合体を含む銀河形成シナリオの観点から、観測された傾向を解釈すること。

提案手法

• MaNGAの積分場分光法による空間分解された星間速度分散を用いて動的モデルを構築し、全質量および有効半径内での質量対光度比（M/L）を、ジェイムズ非等方性モデリング（JAM）法を用いて導出する。
• 動的質量、投影半光半径（Rₑ）、2次モーメント速度分散（σₑ）を用いて傾き補正済みの質量平面を計算し、そのきめの細かさとバーリアリティの整合性を確認する。
• 質量プロファイルの半径依存性から全密度勾配（γ_T）を導出し、JAMモデルを用い、NFWおよびgNFWダークマターハロー分布と比較する。
• 星団合成（SPS）モデルを用いて星間質量を推定し、動的全質量と照らし合わせることで、Rₑ内でのダークマター割合f_DM(<Rₑ)を計算する。この際、論文IIで得られたM/L勾配を組み込む。
• LOESS平滑化と統計的フィッティングを用いて、M/L、σₑ、γ_T、f_DM、星団パラメータ間の関係をモデル化し、測定誤差とサンプル選択の影響を考慮する。
• 進化的解釈を検討するため、M_JAM–Rₑ^maj平面に動的性質をマッピングし、2つの進化経路（バルク成長およびドライ合体）を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的質量を用いた場合、光度ではなく質量平面および基本平面関係はどのように振る舞い、傾き補正はそのきめの細かさにどのように影響するか？
• RQ2 全質量対光度比（M/L）ₑと速度分散σₑの関係の性質は何か。星団の年齢はこの関係にどのように影響を与えるか？
• RQ3 全密度勾配（γ_T）はσₑとともにどのように変化するか。銀河タイプおよび年齢は、この関係の形にどのような役割を果たすか？
• RQ4 ダークマター割合f_DM(<Rₑ)はσₑおよび星間質量にどのように依存するか。また、銀河タイプにわたってどのように変化するか？
• RQ5 星間M/L比の空間的変動に関する仮定が、推定されるダークマター割合および動的関係にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 初期型および後期型銀河の傾き補正済み質量平面は、補正なしバージョンよりもきめが細かく、バーリアリティ定理を満たしている。
• log(M/L)ₑとlog(σₑ)の間には放物線的関係が存在し、高σおよび低σ域でM/Lが増加する。これは低σ域で増加するダークマター割合に起因する。
• 全密度勾配γ_Tはσₑが増加するにつれてlog(σₑ/km s⁻¹) ≈ 2.2まで上昇し、その後約2.2に飽和する。後期型銀河では勾配の変化がより急峻である。
• Rₑ内での平均ダークマター割合は8%であるが、σₑ < 100 km s⁻¹の銀河では33%に上昇し、M/L–σₑの放物線的傾向を説明する。
• 星間M/L勾配の空間的変動を組み込むと、f_DM(<Rₑ)はNFWモデルで約7%、gNFWモデルで約13%増加するが、f_DM–M*関係の本質的性質には変化をもたらさない。
• M_JAM–Rₑ^maj平面における動的性質は、2つの進化経路と整合的である：バルク成長（σₑ増加、γ_Tの急峻化、f_DM減少）およびドライ合体（M_JAM増加、λ_Rₑ減少、γ_Tの平坦化、f_DM一定）