[論文レビュー] Mass models of disk galaxies from the DiskMass Survey in MOND

G. W. Angus, Gianfranco Gentile+5 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、DiskMass調査の高精度な運動学的データに対して修正ニュートン力学（MOND）を検証し、回転曲線と垂直速度分散プロファイルを同時にモデル化するMONDポアソンソルバーを用いる。MONDでは観測と一致させるために、非現実的に薄い星族ディスク（200–400 pc）を必要とし、縁上銀河の測定結果と矛盾する。また、いかなる現実的なパラメータ調整でもこの矛盾を解消できないことが判明した。

ABSTRACT

This article explores the agreement between the predictions of Modified Newtonian Dynamics (MOND) and the rotation curves and stellar velocity dispersion profiles measured by the DiskMass Survey. A bulge-disk decomposition was made for each of the thirty published galaxies, and a MOND Poisson solver was used to simultaneously compute, from the baryonic mass distributions, model rotation curves and vertical velocity dispersion profiles, which were compared to the measured values. The two main free parameters, the stellar disk's mass-to-light ratio ($M/L$) and its exponential scale-height ($h_z$), were estimated by Markov Chain Monte Carlo modelling. The average best-fit K-band stellar mass-to-light ratio was $M/L \simeq 0.55 \pm 0.15$. However, to match the DiskMass Survey data, the vertical scale-heights would have to be in the range $h_z=200$ to $400$ pc which is a factor of two lower than those derived from observations of edge-on galaxies with a similar scale-length. The reason is that modified gravity versions of MOND characteristically require a larger $M/L$ to fit the rotation curve in the absence of dark matter and therefore predict a stronger vertical gravitational field than Newtonian models. It was found that changing the MOND acceleration parameter, the shape of the velocity dispersion ellipsoid, the adopted vertical distribution of stars, as well as the galaxy inclination, within any realistic range, all had little impact on these results.

研究の動機と目的

• 修正ニュートン力学（MOND）が、ディスク銀河の観測された回転曲線と垂直速度分散プロファイルを同時に再現できるかどうかを検証すること。
• 垂直力学からの独立した制約を用いて、ダークマターホールの質量と星族質量光度比（M/L）のデゲネラシーを解消すること。
• MONDがダークマターを仮定せず、ほぼ縁上ディスク銀河の運動学を説明できるかどうかを評価すること。
• 観測されたディスク銀河の星族スケール高さが、MONDの予測と整合しているかどうかを調査すること。
• 現実的なパrameter範囲内で、MONDの垂直速度分散と回転曲線の予測がDiskMass調査データと調和するかどうかを特定すること。

提案手法

• 30個のDiskMass調査銀河に対してバルジ・ディスク分解を実施し、バリオン質量分布を分離した。
• バリオン質量モデルから、MONDポアソンソルバーを用いてモデル化された回転曲線と垂直速度分散プロファイルを計算した。
• 星族ディスクの質量光度比（M/L）とスケール高さ（hz）を同時にフィットするために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）手法を用いた。
• MOND加速度パラメータ、補間関数、速度分散楕円体の形状、銀河の傾きの変化を検討した。
• モデル予測をDMSからの観測された回転曲線と視線方向速度分散プロファイルと比較した。
• 予測された分散プロファイルと観測値の統計的整合性を評価するために、二次元コルモゴロフ・スミルノフ（K-S）検定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MONDは、DiskMass調査のほぼ縁上ディスク銀河の回転曲線と垂直速度分散プロファイルを同時に再現できるか？
• RQ2 DMSデータに適合させるために、MONDで必要な星族質量光度比（M/L）とスケール高さ（hz）は何か？そしてそれらは物理的に妥当か？
• RQ3 MOND加速度パラメータ、速度分散楕円体、銀河の傾きの変化がモデルフィットに与える影響は何か？
• RQ4 MONDが予測するディスクスケール高さは、類似したスケール長を有する縁上銀河の観測と整合しているか？
• RQ5 MONDは、ディスク銀河における観測された動的表面密度と光度密度の関係を説明できるか？

主な発見

• MONDにおける最良適合Kバンド星族質量光度比はM/L ≈ 0.55 ± 0.15であり、星族合成モデルと整合的である。
• MONDは、DMSデータと一致させるために、星族ディスクが200〜400 pcのスケール高さを持つ必要があると予測するが、これは縁上銀河で観測されたものと比べて2倍薄い。
• この不一致は強く根拠がある：現実的な範囲内でMOND加速度パラメータ、速度分散楕円体形状、または銀河の傾きを変更しても、この矛盾は解消されない。
• ディスクの傾きが30–40%人工的に増加されない限り、観測された垂直速度分散と回転速度はMONDと整合しない。
• 傾きを高くしても、得られる回転速度は高傾き銀河に成立するwell-knownな光度的チューリー＝ファイザー関係に反する。
• MONDは、低表面輝度銀河が単純な動的表面密度対光度密度関係から外れるのを正しく予測するが、ディスク厚さ制約では失敗する。