[論文レビュー] Schwarzschild modelling of elliptical galaxies and their black holes

Jens Thomas|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、19個のコンマ銀河団の早期型銀河をモデル化するためにシュバルツシルトの軌道重ね合わせ法を適用し、その結果、星の質量が類似するスパイラル銀河と比較して、そのダークマター準拠の密度が13倍も高いことが判明した。結果から、楕円銀河は $ z_{\text{form}} \approx 2-3 $ の赤方偏移で形成されたと推定され、スパイラル銀河の約2倍である。また、ハローと比較して星の年齢が新しい銀河では、散逸的軌道構造が観測され、主なハロー形成以降に二次的な星形成が起こった可能性を示唆している。

ABSTRACT

This article describes the Schwarzschild orbit superposition method. It is the state-of-the-art dynamical modelling tool for early-type galaxies. Tests with analytic models show that masses and orbital anisotropies of not too face-on galaxies can be recovered with about 15 percent accuracy from typical observational data. Applying Schwarzschild models to a sample of Coma galaxies their dark matter halos were found to be 13 times denser than those of spirals with the same stellar mass. Since denser halos assembled earlier, this result indicates that the formation redshift 1+z of ellipticals is about two times higher than of spirals. Roughly half of the sample galaxies have halo assembly redshifts in agreement with their stellar-population ages. Galaxies where stars appear younger than the halos show strong phase-space density gradients in their orbital structure, indicative for dissipational evolution and possibly connected with secondary star-formation after the main halo assembly epoch. The importance of considering dark-matter in dynamical models aimed to measure black-hole masses is briefly discussed.

研究の動機と目的

• 動力学的モデリングを用いて、早期型銀河におけるダークマターの含量と軌道構造を測定すること。
• 星の集団の年齢と比較することで、楕円銀河の形成赤方偏移を特定すること。
• 中心部におけるブラックホール質量の測定に、ダークマターが及ぼす影響を評価すること。
• 位相空間密度勾配が、散逸的形成歴と衝突なし形成歴を区別できるかどうかを調査すること。
• シュバルツシルトモデリングが、通常の観測データから質量と非等方性をどれだけ正確に回復できるかを検証すること。

提案手法

• シュバルツシルトの軌道重ね合わせ法は、与えられた重力場内での個々の軌道を重ね合わせることで位相空間分布関数を構築する。
• 数えきれないほどの数千の軌道が、仮想的な軸対称ポテンシャル内に計算され、各軌道の光度および運動学的特性が記録される。
• 最終的なモデルは、観測された表面輝度およびライン・オブ・サイト速度分布に一致するように、軌道の線形結合として得られる。
• 軌道は、赤道面からの幾何的関係に基づき、球状（$ |\vartheta|_{\text{max}} > 70^\circ $）またはディスク状（$ |z|_{\text{max}} < r_{\text{eff}}/4 $）に分類される。
• 各軌道ごとに位相空間密度が計算され、銀河間で比較されることで、軌道構造と動力学的歴史が推定される。
• モデルフィッティング中にダークマターを重力場に含めることで、正確な質量光度比推定が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 早期型銀河の形成赤方偏移は何か。スパイラル銀河と比較するとどうなるか。
• RQ2 楕円銀河内の星の軌道構造は、二次的星形成などの散逸的進化の証拠を示せるか。
• RQ3 ダークマターを無視した場合、シュバルツシルト法がブラックホール質量および動的質量をどれほど正確に回復できるか。
• RQ4 星の質量が類似するスパイラル銀河と比較して、楕円銀河のダークマター準拠がどれほど高いか。
• RQ5 早期型銀河において、星の集団の年齢とダークマター準拠の集積赤方偏移の間にどのような関係があるか。

主な発見

• 通常の観測データを用いて、やや正面から見た銀河に対しては、シュバルツシルト法が約15%の精度で質量と軌道非等方性を回復できる。
• コンマ銀河団の楕円銀河におけるダークマター準拠は、同様の星の質量を持つスパイラル銀河の13倍も密度が高い。これは、より早い時期に形成されたことを示唆している。
• 楕円銀河の形成赤方偏移は $ z_{\text{form}} \approx 2-3 $ と推定され、スパイラル銀河の約2倍（$ z_{\text{form}} \approx 1 $）である。
• サンプルの約半数では、ハローの集積赤方偏移と星の集団年齢が一致しており、形成時期が一貫していることを示唆している。
• ハローと比較して星が若い銀河では、ほぼ円形の軌道上に顕著な位相空間密度勾配が観測され、散逸的進化および可能なかぎりの二次的星形成を示唆している。
• ブラックホール質量モデルでダークマターを無視すると、星の質量光度比が過大評価され、結果としてブラックホール質量が過小評価される可能性がある。この効果は特に質量の大きな銀河で顕著である。