[論文レビュー] Secular Evolution in Disk Galaxies: The Growth of Pseudobulges and Problems for Cold Dark Matter Galaxy Formation

John Kormendy, David B. Fisher|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2005

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、バーフォームのガス流入によって駆動される内部的プロセスである恒星的進化が、ディスク銀河に擬似バルジを形成すると提唱している。擬似バルジは古典的バルジに類似しているが、ディスク物質に由来する。観測では、擬似バルジはディスクに類似した性質（例えば、平坦な形状、秩序立てた回転）を保持しており、合体によって形成されたバルジとは区別される。主な貢献は、このプロセスが、大規模合体を伴わない状況でバルジを形成できないとされる冷たい暗黒物質（CDM）モデルに挑戦することにある。特に、バルジを有さない純ディスク銀河の存在が、CDMモデルの予測を揺るがすものである。

ABSTRACT

We review internal secular evolution in galaxy disks -- the fundamental process by which isolated disks evolve. We concentrate on the buildup of dense central features that look like classical, merger-built bulges but that were made slowly out of disk gas. We call these pseudobulges. As an existence proof, we review how bars rearrange disk gas into outer rings, inner rings, and gas dumped into the center. In simulations, this gas reaches high densities, and in the observations, many SB and oval galaxies show central concentrations of gas. Associated star formation rates imply plausible pseudobulge growth times of a few billion years. If secular processes built dense centers that masquerade as bulges, can we distinguish them from merger-built bulges? Observations show that pseudobulges retain a memory of their disky origin. They have one or more characteristics of disks: (1) flatter shapes than those of classical bulges, (2) larger ratios of ordered to random velocities, (3) smaller velocity dispersions, (4) nuclear bars or spiral structure, (5) boxy structure when seen edge-on, (6) nearly exponential brightness profiles, and (7) starbursts. These features occur preferentially in barred and oval galaxies in which secular evolution should be rapid. So the cleanest examples of pseudobulges are recognizable. Thus observations and theory contribute to a new picture of galaxy evolution that complements hierarchical clustering and merging. However, an important problem with cold dark matter galaxy formation gets more acute. How can hierarchical clustering produce so many pure disk galaxies with no evidence for merger-built bulges?

研究の動機と目的

• 擬似バルジ—ディスク銀河における高密度な中心構造—が、主な合体ではなく内部の恒星的プロセスによって形成されることを確立すること。
• 恒星的進化によって形成された擬似バルジと合体によって形成された古典的バルジを区別する観測的および動力学的特徴を特定すること。
• 恒星的進化による擬似バルジ形成が、冷たい暗黒物質（CDM）銀河形成モデルに与える挑戦を定量化すること、特にバルジを有さない純ディスク銀河の存在に関連して。
• 恒星的進化による擬似バルジ形成が、CDM宇宙論における階層的クラスタリングと、観測された晩期銀河の性質を調和させられるかどうかを評価すること。
• 内部の恒星的プロセスと階層的クラスタリングを統合することで、銀河進化の理解を深め、銀河形成モデルにおける欠落している要素を埋めること。

提案手法

• 自己重力系の物理を分析し、エネルギーおよび角運動量輸送が、負の比熱（乱雑運動）または角運動量再分配（回転支持）によってディスクの拡張と中心凝縮を引き起こすことを示す。
• 固定された角運動量下でのビリアル定理とエネルギー最小化を適用し、外向きの角運動量輸送がディスクの拡張と中心質量凝縮を引き起こすことを示す。
• 流体ダイナミクスシミュレーションと観測データ（ハッブル宇宙望遠鏡、地上望遠鏡の画像）を用いて、バーや楕円形構造に起因するガス流入をモデル化し、高密度中心領域の形成を示す。
• Sérsic成分と指数型成分への光度分解を用いて、特に古典的バルジとは対照的にほぼ指数的光度プロファイルと平坦な形状を示す擬似バルジ構造を定量的に評価する。
• 速度分散、回転支持、および核バーやスパイラル構造、ボックス型形状などの形態的特徴を、擬似バルジと古典的バルジとで比較し、区別可能な運動学的および構造的特徴を同定する。
• 古典的バルジと擬似バルジの等級関数を評価し、バルジの質量予算と恒星的進化が銀河構造に与える役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バーフォームのガス流入といった恒星的プロセスが、主な合体を伴わずにディスク銀河の高密度中心構造を説明できるか。
• RQ2 恒星的進化によって形成された擬似バルジと合体によって形成された古典的バルジを区別する観測可能な性質は何か。
• RQ3 バルジを有さない純ディスク銀河の顕著な存在が、冷たい暗黒物質（CDM）銀河形成モデルの予測をどの程度揺るがすか。
• RQ4 擬似バルジの成長が、晩期銀河におけるバルジ-ディスク分解の解釈にどのように影響を与えるか。
• RQ5 恒星的進化のみで、階層的クラスタリングとCDMシミュレーションの文脈において、観測された構造的および運動学的性質を説明できるか。

主な発見

• 擬似バルジは、バーや楕円形構造に起因する恒星的進化によって形成され、角運動量を外向きに輸送し、ガスを銀河中心に誘導することで、高密度中心凝縮を生じる。
• 擬似バルジはディスクに類似した特徴を保持している：平坦な形状、秩序立てた運動速度と乱雑運動の比が高く、速度分散が低く、しばしば核バーやスパイラル構造を含む。
• 観測では、バーフォームおよび楕円形構造を持つ銀河の擬似バルジは、ほぼ指数的光度プロファイルを示し、星形成爆発と関連しており、成長 timescale が数十億年であると示唆される。
• Sb型からSc型への移行には明確なシフトが見られる：Sb型およびそれより前の型では古典的バルジが存在するが、Sbc型以降の型では主に擬似バルジが占め、Sc型以降では古典的バルジの痕跡はほとんど観測されない。
• 光度分解の結果、晩期銀河（Sbc, Sc, Scd, Sd）のバルジ対全光度比の中央値は、それぞれ0.17, 0.1, 0.03, 0.02であり、古典的バルジ成分が極めて少ないことが示される。
• 特にフィールド領域に広がるバルジを有さない純ディスク銀河の大量存在は、冷たい暗黒物質モデルにとって顕著な挑戦をもたらす。CDMモデルは頻繁な大規模合体を予測しており、それらはディスクを破壊し、古典的バルジを形成するとされる。