[論文レビュー] The Cosmological Significance of Disk Galaxy Rotation Curves

Julio F. Navarro|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 1998

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、100個以上の円盤銀河の回転曲線を分析し、それらの暗黒物質ハローがナバロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）密度プロファイルに従うかどうかを検証する。その結果、大多数の銀河がNFWプロファイルと整合的である一方、低表面輝度銀河は中心密度がやや浅い傾向を示す。ハローの特徴的密度は、標準的な冷たい暗黒物質（CDM）モデルが予測するよりも低く、低密度でCOBE正規化された平坦なCDM宇宙とより整合的である。

ABSTRACT

We use the rotation curves of more than 100 disk galaxies to examine whether the structure of their surrounding dark halos is consistent with the universal density profile proposed by Navarro, Frenk & White (NFW profiles). Rotation curve shape is a strong function of galaxy surface brightness: low-surface brightness galaxies (LSBs) have slowly rising rotation curves while in high-surface brightness systems the rotation speed rises sharply and stays flat or even declines beyond the optical radius. These observations are consistent with NFW halo profiles, with the possible exception of a few LSBs where the rotation curves are better described by shallower central density profiles. Consistency with observational trends requires that halos have lower characteristic densities than expected in the standard biased cold dark matter (CDM) scenario, but roughly compatible with COBE-normalized, low-density, flat CDM universes. The data also imply that disk mass-to-light ratios increase gently with luminosity, and that the halo circular velocity, V_200, is not directly proportional to the disk rotation speed, V_rot. Slowly rotating disks are surrounded by halos of higher circular velocities, whereas faster rotators (V_rot > 150 km/s) are all surrounded by halos of similar mass, corresponding to V_200 ~ 200 km/s. We speculate that this is because the efficiency of assembly of baryons into galaxies is high in massive halos, leading to disks too massive to be stable in systems that exceed the ``critical'' V_200 ~ 200 km/s. This modeling also provides a natural explanation for the distribution of sizes and rotation speeds of disk galaxies. (Abridged.)

研究の動機と目的

• 円盤銀河における暗黒物質ハローの構造が、普遍的なNFW密度プロファイルと一致するかどうかを評価すること。
• 観測された回転曲線と標準的な冷たい暗黒物質（CDM）モデルの予測との間に生じる不一致を調査すること。
• 回転曲線の形状が、特に低表面輝度銀河におけるハロー質量および密度プロファイルに与える影響を明らかにすること。
• ディスクの回転速度（V_rot）とハローの円運動速度（V_200）との関係と、その宇宙論的意味を検討すること。

提案手法

• 半径関数としての観測された回転速度を用いて、100個以上の円盤銀河の回転曲線を分析する。
• さまざまな銀河タイプにおける観測された回転曲線の形状と、NFWハロー密度プロファイルからの予測を比較する。
• ディスクの質量光度比を自由パラメータとして用い、光度に応じた変動を許容して観測された回転曲線に適合させる。
• 最良の適合モデルからハローの円運動速度V_200を推定し、観測されたディスク回転速度V_rotと比較する。
• 標準的なバイアス付きCDMとCOBE正規化された低密度平坦CDMのシナリオからの予測と照らし合わせ、導かれたハロー密度の整合性を評価する。
• 観測されたV_200-V_rot関係と銀河サイズ分布を説明するため、ハロー-ディスク質量の集積効率をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円盤銀河の回転曲線は、さまざまな表面輝度領域においてNFW暗黒物質ハロー密度プロファイルを支持するか？
• RQ2 観測から導かれた円盤銀河のハロー密度は、標準的なバイアス付き冷たい暗黒物質モデルの予測とどのように比較されるか？
• RQ3 なぜ回転が遅いディスクではハローの円運動速度が速い回転ディスクよりも高くなるのか？これはバリオン物質の集積効率に何を示唆するか？
• RQ4 低表面輝度銀河はどの程度NFWプロファイルから逸脱するのか？これは中心ハロー構造にどのような示唆をもたらすか？
• RQ5 V_200-V_rot関係は、観測されたディスク銀河のサイズと回転速度の分布をどのように説明できるか？

主な発見

• 高表面輝度銀河を含む大多数の円盤銀河が、NFWハロー密度プロファイルと整合する回転曲線形状を示している。
• 低表面輝度銀河は、ゆっくりと上昇する回転曲線を示し、一部の事例ではNFWよりも中心密度が浅いプロファイルを示唆している。
• 観測から導かれたハローの特徴的密度は、標準的なバイアス付き冷たい暗黒物質シナリオの予測よりも低く、COBE正規化された低密度平坦CDM宇宙と整合的である。
• ディスクの質量光度比は、光度に応じて徐々に増加しており、ディスク質量分布における系統的傾向を示している。
• ハローの円運動速度V_200はディスク回転速度V_rotに比例しない。回転が遅い銀河は高いV_200のハローにあり、V_rot > 150 km/sの高速回転銀河はすべてV_200 ≈ 200 km/sのハローに存在する。
• V_200 ≈ 200 km/sの閾値は、バリオン物質集積効率の限界を示しており、この質量を超えるハローではディスクが安定を保てないほど質量が大きくなりすぎることがあり、観測されたサイズと回転速度分布を説明できる。