[論文レビュー] The baryonic Tully-Fisher Relation predicted by cold dark matter cosmogony

Harry Desmond|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、ダークマターハローの最新のN体シミュレーションを統合し、ハローの濃度、バリオン質量分率、断熱収縮を考慮することで、ΛCDMフレームワーク内において、パrameterフリーのバリオン性Tully-Fisher関係（BTFR）の厳密な予測を提示する。これらの物理的効果を一貫して適用した場合、予測されるBTFRの勾配は著しく増加し、特に10⁹–10¹¹ M☉の質量範囲で観測値の約3.5–4に近づく。これは長年の観測との乖離を解消するものである。

ABSTRACT

Providing a theoretical basis for the baryonic Tully-Fisher Relation (BTFR; baryonic mass vs rotational velocity in spiral galaxies) in the LCDM paradigm has proved problematic. Simple calculations suggest too low a slope and too high a scatter, and recent semi-analytic models and numerical galaxy simulations typically fail to reproduce some aspects of the relation. Furthermore, the assumptions underlying one model are often inconsistent with those behind another. This paper aims to develop a rigorous prediction for the BTFR in the context of LCDM, using only a priori expected effects and relations, a minimum of theoretical assumptions, and no free parameters. The robustness of the relation to changes in key galactic parameters will be explored. I adopt a modular approach, taking each of the stand alone galaxy relations necessary for constructing the BTFR from up-to-date numerical simulations of dark halos. These relations -- and their expected scatter -- are used to describe model spirals with a range of masses, resulting in a band in the space of the BTFR that represents the current best guess for the LCDM prediction. Consistent treatment of expected LCDM effects goes a large way towards reconciling the naive slope-3 LCDM prediction with the data, especially in the range 10^9 M_sun < M_bar < 10^11 M_sun. The theoretical BTFR becomes significantly curved at M_bar > 10^11 M_sun, but this is difficult to test observationally due to the scarcity of extremely high mass spirals. Low mass gas-rich galaxies have systematically lower rotational velocity than the LCDM prediction, although the relation used to describe baryon mass fractions must be extrapolated in this regime. The fact that the BTFR slope derived here is significantly greater than in early predictions is a direct consequence of a corresponding increase in the expected sensitivity of baryon mass fraction to total halo mass.

研究の動機と目的

• ΛCDM宇宙論的モデル内において、理論的根拠に基づいた、パrameterフリーのバリオン性Tully-Fisher関係（BTFR）の予測を提供すること。
• スパイラル銀河におけるNaiveなΛCDM予測（勾配 ≈ 3）と観測されたBTFR勾配（約3.5–4）との間の長年の乖離を解消すること。
• ハローの濃度、バリオン質量分率、角運動量の変動といった主要な銀河的パラメータの変化に対するBTFR予測のロバストネスを評価すること。
• 理論的BTFRの固有の散らばりを評価し、観測データと定量的に比較すること。

提案手法

• 研究はモジュラーな手法を採用し、ダークマターハローの数値的N体シミュレーションを用いて、ハローの濃度、バリオン質量分率、断熱収縮に関する経験的関係を導出する。
• ダークマターハローのモデルにはNFW密度プロファイルを用い、濃度パラメータcは、virial overdensity Δ = 200 およびハロー質量から導出する。
• バリオン質量分率は、スパイラル銀河に限定したハロー質量マッチング（Halo Abundance Matching, HAM）から導出する。
• 回転速度は、合計質量プロファイル（収縮したダークマターとバリオン成分を含む）から得られる最大円運動速度から計算する。
• 標準的な断熱収縮形式を用いて、バリオンディスク形成に伴うダークマターの重力的反応をモデル化する。
• 理論的予測は、選択効果や質量光度比、ガス質量測定、速度定義の整合性に注意を払いながら、観測データと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛCDMモデルは、自由パrameterを導入せずに、観測値（約3.5–4）と整合するBTFR勾配を予測できるか？
• RQ2 ハローの濃度、バリオン質量分率、断熱収縮が、BTFRの予測勾配と散らばりにどのように寄与するか？
• RQ3 現実的なハロー特性の変動を考慮した場合、ΛCDMにおける理論的BTFRの固有の散らばりはどの程度か？
• RQ4 低質量・ガス豊富な銀河が理論的予測から系縁的にずれる理由は何か？これは外挿の結果か、物理的効果に起因するか？
• RQ5 高質量域でBTFRにカーブが現れるか？これは現在の観測的制約と整合するか？

主な発見

• スパイラル銀河に限定したハロー質量マッチングから得られるバリオン質量分率を用いることで、BTFRの勾配は著しく増加し、観測値の3.5–4に近づく。これにより、長年の勾配の乖離が解消される。
• 理論的BTFRは高質量域（M_bar > 10¹¹ M☉）において対数空間でカーブを示すが、このような高質量スパイラルの希少性のため、観測的検証は困難である。
• 低質量・ガス豊富な銀河（M_bar < 10¹⁰ M☉）では、予測された回転速度に系統的な不足が見られ、これはM_vir–M_bar関係が未検証領域に外挿されている可能性による。
• 理論的BTFRの固有の散らばりは、観測データと明確に乖離しているとは言えないが、観測を説明するのに必要な程度よりも多少大きい可能性がある。
• 断熱収縮の効果は、特に低質量および非常に高質量域では小さい。全体としての予測は、ハロー密度プロファイルおよびバリオンの角運動量分率の変動に対してロバストである。
• 平坦な回転曲線やバー不安定性に対する安定性といった選択基準は、予測されるBTFRにほとんど影響を及ぼさない。これは、ΛCDMが自然に安定で回転支持されたスパイラル銀河を生成できることを示唆している。