[論文レビュー] Rotation Dynamics of a Galaxy with a Double Mass Distribution

L. Marmet|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非バリオン系のダークマターを仮定せずに、球状バルジと薄いディスクからなる有限で滑らかな二重質量分布によって、渦巻銀河の平坦な回転曲線を説明できると提唱している。銀河の全角運動量、観測された回転曲線、境界条件を用いて、バリオン系物質（主に分子水素と凝縮物質）による定常速度を再現する一意で有限の密度プロファイルを導出し、奇妙なダークマターの必要性を疑問視している。

ABSTRACT

The rotation dynamics of spiral galaxies is modeled using a sum of two mass distributions: a spherical bulge and a thin disk. The density functions representing these mass distributions are calculated from the total angular momentum of the galaxy and known rotation curves. When both bulge and disk density functions are assumed to be smooth and are given a value of zero beyond the edge of the galaxy, a unique solution is obtained. Moreover, the calculated density functions show that constant rotation curves are obtained from a nearly exponential luminosity profile with a dark matter distribution which follows that of the light emitting matter, without the need for modified Newtonian dynamics. Experimental detection of molecular hydrogen in spiral galaxies confirms the presence of a baryonic massive component consistent with the results obtained with this model. It is proposed that dark matter does not have to be exotic non-baryonic matter. Instead, it can be made of molecular hydrogen and condensed matter.

研究の動機と目的

• 非バリオン系のダークマターに依存せずに、渦巻銀河の平坦な回転曲線を説明すること。
• 観測された質量対光度比と可視質量分布の不一致を、有限で滑らかな質量分布の導入によって解消すること。
• 回転曲線、角運動量、最大半径という物理的制約から、一意の質量分布が導けることを示すこと。
• 観測的一致性に基づいて、分子水素と凝縮物質が欠落質量の妥当な候補であると主張すること。

提案手法

• 球状バルジと薄いディスクからなる二つの滑らかで有限の質量分布の重ね合わせとして銀河をモデル化すること。
• 全角運動量と観測された回転曲線を境界条件として用い、密度関数を解くこと。
• 半径 r における重力加速度が、r より内側の質量にのみ依存し、外部の質量には依存しないという一般原理に従い、ニュートン重力を利用する。
• 無限に広がった解析的プロファイルに依存せずに、数値的に回転曲線を逆算して質量分布を導出すること。
• 銀河の端縁を越えて密度をゼロと仮定することで、物理的有限性と解の一意性を保証すること。
• 観測された光度と導出された質量を用いて質量対光度比を評価し、実験値と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限で滑らかな二重質量分布（バルジ＋ディスク）が、特異なダークマターを仮定せずに観測された平坦な回転曲線を再現できるか。
• RQ2 観測された回転曲線と全角運動量を満たす一意の質量密度プロファイルは何か。
• RQ3 分子水素または凝縮物質は、観測された質量対光度比とダークマター効果を説明するのに十分か。
• RQ4 無限に広がった質量プロファイルを仮定しない場合、標準モデルと比較して銀河力学の導出にどのような影響を与えるか。
• RQ5 質量分布が有限で物理的に境界づけられている場合、観測された低い質量対光度比はバリオン系物質で説明可能か。

主な発見

• 回転曲線、角運動量、最大半径という制約を課すことにより、バルジおよびディスクの両方について一意で有限の質量分布が得られた。
• 導出された密度関数は、ほぼ指数関数的光度プロファイルと光度分布と一致するバリオン系質量分布が、自然に定常速度を生み出すことを示している。
• 分子水素と凝縮物質（センチメートルサイズの岩から小惑星まで）が、欠落質量の妥当な候補であることが示され、光学的断面積が小さいことが特徴である。
• 本モデルは、バリオン系物質のみを用いて観測された質量対光度比約 0.05 M☉/L☉ を再現し、実験値と整合的である。
• 本研究は、平坦な回転曲線がダークマターホールを必要とするという標準的仮定に反論し、有限系に適用した場合、ダークマターの根拠となる議論が誤りであると主張している。
• 本モデルは、銀河における分子水素の観測と、渦巻銀河の定常中心表面輝度（約 140 L☉/pc²）と整合的である。