[論文レビュー] The Cores of Dark Matter Dominated Galaxies: theory vs. observations

Andrey V. Kravtsov, A. A. Klypin+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 1997

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、回転曲線データを用いて、矮星銀河および低表面輝度（LSB）銀河におけるダークマター密度プロファイルを調査し、すべての銀河で顕著に一貫した浅いクヌーム（γ ≈ 0.2–0.4）が得られた。高解像度のコスモロジー的シミュレーション（CDM、LCDM、CHDMモデル）が、観測された回転曲線をよく再現することを示し、ダークマター支配系において理論と観測の不一致を主張していた過去の主張に反する。

ABSTRACT

We use the rotation curves of a sample of dark matter dominated dwarf and low-surface brightness (LSB) late-type galaxies to study their radial mass distributions. We find that the shape of the rotation curves is remarkably similar for all (both dwarf and LSB) galaxies in the sample, suggesting a self-similar density distribution of their dark matter (DM) halos. This shape can be reproduced well by a density profile with a shallow central cusp (rho(r)\propto 1/r^gamma, gamma\approx 0.2-0.4), corresponding to a steeply rising velocity curve (v(r)\propto r^g, g\approx 0.9-0.8). We further show that the observed shape of the rotation curves is well matched by the density profiles of DM halos formed in very high resolution simulations of the CDM, LCDM, and CHDM models of structure formation. This is surprising in light of several previous studies which suggested that the structure of simulated DM halos is inconsistent with the dynamics of dwarf galaxies. We discuss possible explanations for this discrepancy. We show that although the mass distribution in the hierarchically formed halos is on average consistent with the shape of rotation curves of dark matter dominated galaxies, the scatter of the individual profiles around the average is substantial and should not be neglected in comparisons with the data. Finally, we show that the DM halos in our hierarchical simulations and the real galaxies in our sample exhibit a similar decrease in their characteristic densities with increasing characteristic radial scales, and increase in their maximum rotation velocities with increasing radii at which their maximum velocity occurs. (Abridged)

研究の動機と目的

• 観測された回転曲線を用いて、ダークマター支配の矮星およびLSB銀河における半径方向の質量分布を特定すること。
• CDM、LCDM、CHDMモデルのコスモロジー的シミュレーションが、観測された回転曲線の形状を再現できるかどうかを検証すること。
• 低光度銀河におけるシミュレートされたダークマターホールプロファイルと観測動力学の間の長年の不一致を解消すること。
• シミュレートされたホールプロファイルの散らばりを定量し、観測比較に与える影響を評価すること。
• シミュレートされたホールと実際の銀河の両方における特徴的密度、半径、最大円運動速度の間のスケーリング関係を検討すること。

提案手法

• ダークマター支配の矮星およびLSB銀河の回転曲線を分析し、半径方向の質量分布を推定した。
• 観測された回転曲線をべき乗則モデル（v(r) ∝ r^g）にフィットさせ、中心クヌームの傾き（γ ≈ 0.2–0.4）を決定した。
• CDM、LCDM、CHDMモデルの高解像度N体シミュレーションからの密度プロファイルと、観測された回転曲線の形状を比較した。
• NFWプロファイルを基準としたが、中心クヌームの挙動に焦点を当て、代替の浅いクヌームモデルを検証した。
• シミュレートされたホールプロファイルの散らばりを定量し、観測データとの一致に与える影響を評価した。
• シミュレーションと観測の両方における特徴的密度（ρ₀）、スケール半径（r₀）、最大円運動速度（v_max）の間のスケーリング関係を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマター支配の矮星およびLSB銀河の回転曲線は、自己相似的なダークマターホールプロファイルを示す普遍的な形状を示しているか？
• RQ2 高解像度のコスモロジー的シミュレーション（CDM、LCDM、CHDMモデル）は、観測された浅い中心クヌーム（γ ≈ 0.2–0.4）の回転曲線を再現できるか？
• RQ3 過去の研究が、シミュレートされたホールと観測された矮星銀河の動力学の間に不一致を主張した理由は何か？ そして、この不一致はどのように解消できるか？
• RQ4 観測された回転曲線と比較した場合、シミュレートされたホールプロファイルの散らばりはどの程度重要であり、一貫性の評価に影響を与えるか？
• RQ5 シミュレートされたダークマターホールと観測された銀河は、特徴的密度、半径、最大円運動速度の間で類似したスケーリング関係を示しているか？

主な発見

• 本調査に含まれるすべての矮星およびLSB銀河の回転曲線は、顕著に類似した形状を示しており、浅い中心クヌーム（γ ≈ 0.2–0.4）を持つ自己相似的なダークマターホール密度分布を示している。
• 観測された回転曲線の形状は、CDM、LCDM、CHDMモデルの高解像度シミュレーションからの密度プロファイルによってよく再現されており、過去の不一致の主張に反する。
• 個々のシミュレートされたホールプロファイルの平均周辺の散らばりは顕著であり、観測比較においてこれを考慮に入れる必要がある。
• シミュレートされたダークマターホールと観測された銀河の両方で、特徴的密度が特徴的半径の増加とともに減少しており、普遍的なスケーリング関係が存在することを示している。
• シミュレーションと観測の両方で、最大円運動速度がその値を示す半径とともに増加する相関関係が見られ、階層的構造形成の共通の物理的起源を支持している。
• 観測データで観測された急激に上昇する速度プロファイル（v(r) ∝ r^g, g ≈ 0.8–0.9）は、シミュレートされたホールによってよく再現されており、低表面輝度系の力学を再現できる能力が確認された。