[論文レビュー] The Bosma effect revisited - I. HI and stellar disc scaling models

F. V. Hessman, Monika Ziebart|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、渦巻銀河におけるHIガスの向心加速度とダークマター寄与の相関関係であるボスマ効果を、HIガスと星族成分の両方を代理指標として用いて再評価する。星族ディスクを用いたHIガスの枯渇補正を組み込んだモデルは、ユニバーサル回転曲線（URC）モデルとほぼ同等の性能を示し、ネルソン＝フレンク＝ホワイト（NFW）ハローと比べて顕著に優れている。これは、バリオンとダークマター分布の間に物理的関係がある可能性を支持する。

ABSTRACT

The observed proportionality between the centripetal contribution of the dynamically insignificant HI gas in the discs of spiral galaxies and the dominant contribution of DM - the "Bosma effect" - has been repeatedly mentioned in the literature but largely ignored. We have re-examined the evidence for the Bosma effect by fitting Bosma effect models for 17 galaxies in the THINGS data set, either by scaling the contribution of the HI gas alone or by using both the observed stellar disc and HI gas as proxies. The results are compared with two models for exotic cold DM: internally consistent cosmological NFW models with constrained compactness parameters, and URC models using fully unconstrained Burkert density profiles. The Bosma models that use the stellar discs as additional proxies are statistically nearly as good as the URC models and clearly better than the NFW ones. We thus confirm the correlation between the centripetal effects of DM and that of the interstellar medium of spiral galaxies. The edificacy of "maximal disc" models is explained as the natural consequence of "classic" Bosma models which include the stellar disc as a proxy in regions of reduced atomic gas. The standard explanation - that the effect reflects a statistical correlation between the visible and exotic DM - seems highly unlikely, given that the geometric forms and hence centripetal signatures of spherical halo and disc components are so different. A literal interpretation of the Bosma effect as being due to the presence of significant amounts of disc DM requires a median visible baryon to disc DM ratio of about 40%.

研究の動機と目的

• 最新の観測データと形式的統計的検定を用いてボスマ効果を再表現し、長年の文献における無視を挑戦すること。
• 観測されたHIガスとダークマターの相関が、物理的関係によるものか、幾何的偶然によるものかを評価すること。
• ボスマ効果の文脈において、『最大ディスク』モデルの有効性を検討し、星族ディスクが欠落ガスの代理として果たす役割を評価すること。
• ボスマ効果が、標準的な球対称ハローではなく、ディスク型ダークマター成分によって説明可能かどうかを検証すること。
• 星間物質（ISM）構造を検討することで、ディスク型ダークマターの物理的妥当性を検証すること。

提案手法

• The HI Nearby Galaxy Survey（THINGS）の17個の銀河について、動的質量の代理指標としてHI表面密度を用いてボスマ効果モデルを構築した。
• 高星族密度領域におけるHIガスの枯渇を補正するため、星族ディスク表面密度を組み込んだモデルを改善した。
• NFW（宇宙論的CDM）、URC（バーゲルトプロファイル）、および星族補正を施したボスマ型モデルの3つのハロー・モデルを用いて、観測された回転曲線との適合度を比較した。
• 尤度比検定や自由度補正済みカイ二乗統計量を用いてモデル性能を評価し、観測された回転曲線との整合性を重視した。
• 投影表面密度プロファイルを用いて、ディスク型DM候補の幾何的構造を標準的なCDMハローと比較した。
• 可視物質とディスク型DMの質量比の分布を分析し、ディスク型ダークマター成分の物理的妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新のデータと形式的モデリングを用いた場合、ボスマ効果は統計的に有意であるか？
• RQ2 観測されたHIからDMへの相関は、ガス枯渇やバリオンフィードバックといった物理的メカニズムによって説明可能か、それとも幾何的偶然に起因するのか？
• RQ3 星族ディスクを代理指標として組み込んだボスマモデルは、標準的なNFWおよびURCダークマターハロー・モデルに比べてどの程度の性能を示すか？
• RQ4 ボスマ効果がディスク型ダークマター成分の証拠であると解釈する場合、その想定されるバリオン対ディスク型DM質量比はどの程度か？
• RQ5 ボスマ効果が、HI表面密度とDMハロー質量密度のほぼ等価性を反映しているという認識は、理論的および実証的に妥当か？

主な発見

• HIスケーリングにのみ依存するボスマモデルは、高星族密度領域における未補正のHI枯渇のため、性能が著しく劣る。
• 星族ディスクを欠落ガスの代理として組み込んだモデルは、統計的に優れた性能を示し、URCモデルの適合度にほぼ匹敵する。
• NFWハロー・モデルは、補正済ボスマモデルおよびURCモデルに比べて著しく劣った適合度を示した。
• 推定された可視バリオン対ディスク型DM質量比の中央値は約40%であり、ディスク型DMが顕著だが支配的ではない貢献を果たしていることを示唆している。
• 最良適合のディスク型DM成分の投影表面密度は、球対称ハローではなく指数的ディスクに近い形状と一致しており、ディスク型分布である可能性を示している。
• 古典的ボスマ効果は、HIとDM表面密度の直接比例関係ではなく、星族ディスクを用いたHI枯渇補正という物理的メカニズムによって最も適切に説明される。