[論文レビュー] Scaling laws in disk galaxies

Alister W. Graham|Swinburne Research Bank (Swinburne University of Technology)|Nov 28, 2013

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

ひとこと要約

この論文は、バルク光度プロファイルに伝統的な $R^{1/4}$ 法則の代わりにセールシク $R^{1/n}$ モデルを採用することで、ディスク銀河のスケーリング法則を再評価している。有効パラメータを用いた際、バルクの構造的パラメータ（明るさ、表面密度、セールシク指数）が非線形的で曲がった関係を示すことが示された。主な貢献は、古典的バルクと擬似バルクの間の明確な分離が、プロファイルフィッティングにおけるホモロジーの破綻に起因する誤解であることを示し、赤方偏移 $z \sim 2$ の高赤方偏移コンパクト銀河が、冷流降着によって現代のバルクに進化した可能性を示している。

ABSTRACT

A brief overview of several recent disk galaxy scaling relations is presented, along with some historical background. In particular, after introducing the (basic) radial light profiles of disk galaxies, I explain several important `structural' scaling relations and review the latest bulge-(black hole mass) diagrams. I go on to present the typical bulge-to-disk flux ratios of disk galaxies and suggest the use of a grid of bulge-to-disk flux ratio versus disk Hubble type - based on the nature of the spiral arms - to complement the Hubble-Jeans sequence. I then briefly mention pure disk galaxies before cautioning on difficulties with identifying pseudo-bulges built from secular evolution. Finally, I conclude by discussing a likely connection between modern day bulges in disk galaxies and high-redshift (z ~ 2+/-0.5) compact galaxies which may have since acquired a disk via cold flows and quiescent accretion.

研究の動機と目的

• ディスク銀河のバルク光度プロファイルに対して $R^{1/4}$ 法則の妥当性を再評価し、より正確で柔軟性のある代替手段としてセールシク $R^{1/n}$ モデルを提唱する。
• 有効表面密度 ($\mu_{\rm e}$) と中心表面密度 ($\mu_0$) の間のホモロジーの破綻が原因で生じる構造的スケーリング関係の誤解を解消する。
• スパイラルアームの形態に基づく分類グリッドを提案することで、古典的バルクと擬似バルクの区別を明確にする。バルク対ディスク光度比とハッブル型を組み合わせることで、ハッブル＝ジーンズ系列に代わるより強固な分類法を提供する。
• 現代のバルクの起源を、冷流と静穏降着を経てディスクを獲得した可能性のある高赤方偏移 ($z \sim 2$) のコンパクト銀河と結びつける。
• 回転速度と年齢指標だけでは、恒星形成の自発的進化と合体駆動形成を区別できないことを示し、矛盾するバルク形成の見解を統合する。

提案手法

• バルク光度プロファイルをセールシク $R^{1/n}$ モデルで記述し、半径方向の表面輝度を $\mu(R) = \mu_{\rm e} + \frac{2.5b_n}{\ln(10)}\left[\left(R/R_{\rm e}\right)^{1/n} - 1\right]$ で定義する。ここで $b_n \approx 2n - 1/3$ である。
• 有効半径 $R_{\rm e}$ と有効表面輝度 $\mu_{\rm e}$ を用いて全光度と平均輝度を導出し、$\mu_0 = \mu_{\rm e} - 2.5b_n/\ln(10)$ を用いて中心表面輝度と関連付ける。
• 大規模なディスク銀河サンプルを分析し、$M-\mu_{\rm e}$ および $\langle\mu\rangle_{\rm e}-R_{\rm e}$ 関係の曲がりが、$\mu_0$ と $n$ 間の非線形性に起因することを示し、線形解釈が不適切であることを立証する。
• 観測されたバルクの性質（セールシク指数、明るさ、表面輝度）をシミュレーションと高赤方偏移観測と比較し、進化経路を追跡する。
• 光学的・近赤外色、星族合成、線強度解析を用いて、バルクの年齢と金属量（特に $\alpha$/Fe 比）を推定する。
• スパイラルアームの性質に基づくハッブル型とバルク対ディスク光度比の組み合わせによる分類グリッドを提唱し、ハッブル＝ジーンズ系列に代わる分類法を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効パラメータ（例：$M-\mu_{\rm e}$）を含む伝統的スケーリング関係がなぜ曲がっているのか、その歪みの原因は何か？
• RQ2 古典的バルクと擬似バルクの間で、バルクの構造的パラメータ（明るさ、表面輝度、セールシク指数）はどの程度統合的であるか？
• RQ3 高赤方偏移コンパクト銀河（$z \sim 2$）の観測された性質が、現代のディスク銀河のバルク形成に結びつく可能性はどの程度か？
• RQ4 $R^{1/4}$ 法則がバルク光度プロファイルの全範囲を記述するのに不十分である理由は何か？そのスケーリング関係への影響は？
• RQ5 回転速度と星族年齢は、古典的バルクと自発的進化によって形成された擬似バルクを区別するための信頼できる診断指標とみなせるか？

主な発見

• セールシク $R^{1/n}$ モデルは $R^{1/4}$ 法則よりもバルク光度プロファイルに優れた適合を示し、特に早期型ディスク銀河では $n < 4$ が一般的である。これは長年にわたる $R^{1/4}$ 主導の仮定に反する。
• $M-\mu_{\rm e}$ および $\langle\mu\rangle_{\rm e}-R_{\rm e}$ 関係の曲がりは、$\mu_{\rm e}$ と $\mu_0$ 間の非線形変換に起因し、スケーリング関係の線形解釈が誤りであることを示している。
• バルク対ディスク光度比とハッブル型（スパイラルアームの形態に基づく）を組み合わせることで、ハッブル＝ジーンズ系列単体よりもより強固な分類グリッドが構築可能である。
• 星族合成解析により、大多数のバルクが古い質量加重平均年齢（若年星質量の割合が25％未満）であることが示され、最近の自発的進化よりも古典的形成メカニズムが支持される。
• 高赤方偏移コンパクト銀河（$z \sim 2$）は、冷流と静穏降着を経て、現代の巨大バルクの前身である可能性が高く、時間経過とともにディスクを獲得したと考えられる。
• ゼロ赤方偏移におけるコンパクト楕円銀河（$z=0$）は、ディスクを獲得しなかったか、あるいはディスクが剥がれた銀河の残骸である可能性があり、コンパクト系の複数の進化経路を示唆している。