[論文レビュー] The dark halo of the Hydra I galaxy cluster: core, cusp, cosmological? Dynamics of NGC 3311 and its globular cluster system

T. Richtler, R. Salinas+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用数 35

ひとこと要約

本研究は、ハイドラI銀河団の中心cD銀河NGC 3311における暗黒物質ハローの密度分布を、118個の球状星団の径方向速度とVLT分光法による星の運動学的データを用いて調査した。結果として、核を持つ暗黒物質ハロー（Burkertプロファイル）が、NFWプロファイルよりも星および球状星団の観測された速度分散をよりよく再現することを示した。これは、核が好ましいとされるが、急峻な核（cuspy）が完全には除外できないことを示唆している。

ABSTRACT

NGC 3311 is the central cD galaxy of the Hydra I cluster. We use globular clusters around NGC 3311, combined with kinematical data of the galaxy itself, to investigate the dark matter distribution in the central region of Hydra I. Radial velocities of 118 bright globular clusters, based on VLT/VIMOS mask spectroscopy, are used to calculate velocity dispersions which are well defined out to 100 kpc. NGC 3311 is the most distant galaxy for which this kind of study has been performed. We also determine velocity dispersions of the stellar component from long slit spectroscopy out to 20 kpc. Moreover, we present a new photometric model for NGC 3311 in the V-band. We search for a dark halo which in the context of a spherical Jeans model. We also compare the radial velocity distributions of globular clusters and planetary nebulae. The projected stellar velocity dispersion rises from 185 km/s to 350 km/s at a radius of 20 kpc. The globular cluster dispersion rises as well from 500 km/s at 10 kpc to about 800 km/s at 100 kpc, comparable to the velocity dispersion of the cluster galaxies. A dark matter halo with a core reproduces well the velocity dispersions of stars and globular clusters simultaneously under isotropy. The central stellar velocity dispersions predicted by cosmological NFW halos are less good representations, while the globular clusters allow a wide range of halo parameters. A suspected radial anisotropy of the stellar population aggravates the deviations. However, we find discrepancies with previous kinematical data, which we cannot resolve and may indicate a more complicated velocity pattern. Although one cannot conclusively demonstrate that the dark matter halo of NGC 3311 has a core rather than a cusp, a core seems to be preferred by the present data. A more complete velocity field and an analysis of the anisotropy is required to reach firm conclusions.

研究の動機と目的

• ハイドラI銀河団の中心領域、特に低表面輝度のcD銀河であるNGC 3311における暗黒物質ハローの密度プロファイルを特定すること。
• NGC 3311における星および球状星団の観測運動学的データが、核を持つか急峻な核を持つ暗黒物質ハローのどちらによってよりよく説明されるかを検証すること。
• 速度分散の非等方性がハローモデルの整合性に与える影響と、極端な径方向速度の外れ値がハロー質量モデルと整合するかを評価すること。
• 特に濃度-質量関係に基づく宇宙論的NFWハローが観測された運動学的データをどの程度再現できるかを評価すること。
• 複数のトレーサーを用いたアプローチにより、巨大銀河団における内側の暗黒物質分布の動的制約を提示すること。

提案手法

• VLT/VIMOSマスク分光法を用いて118個の明るい球状星団の径方向速度を測定し、100 kpcまでにわたる速度分散プロファイルを導出する。
• VLT/FORS1を用いた長スリット分光法により、NGC 3311の星の速度分散を20 kpcまで測定する。
• 深さのあるVLT/FORS1 Vバンド画像を用いて、NGC 3311の新しい光度モデルを構築し、星の明るさ分布を定義する。
• 動的平衡および球対称性の仮定の下で、星と球状星団の両方の速度分散プロファイルを同時にフィットするための球対称ジェインズモデルを適用する。
• モデル化フレームワーク内で、径方向および接線方向の非等方性プロファイルをテストすることで、速度分散非等方性の影響を検討する。
• 軌道統合を用いて、極端な径方向速度の外れ値（例：約2700 km/s）が、非常に径方向の軌道をとる銀河間物質として現実的な暗黒物質ハロー内に存在する可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 3311における星および球状星団の運動学的データは、核を持つか急峻な核を持つ暗黒物質ハローのどちらを支持するか？
• RQ2 速度分散非等方性は、ハローモデルと観測された速度分散の整合性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 球状星団系における極端な径方向速度外れ値は、現実的な暗黒物質ハロー内の軌道と整合するか？
• RQ4 シミュレーションに基づく濃度-質量関係を有する宇宙論的NFWハローは、観測された運動学的データをどの程度再現できるか？
• RQ5 等方性の仮定の下で、急峻な核を持つハローが小半径における星の速度分散の上昇を説明できるか、それとも核が必要か？

主な発見

• 星の速度分散は中心部で約185 km/sから20 kpcで350 km/sへと上昇しており、顕著な質量集中を示している。
• 球状星団の速度分散は10 kpcで約500 km/sから100 kpcで約800 km/sへと上昇しており、銀河団銀河の分散と一致している。
• 等方性の下で、Burkert（核を持つ）ハロー・モデルが星および球状星団の両方の速度分散プロファイルを良好にフィットする。
• 濃度-質量関係を考慮しても、急峻なNFWハローは小半径における星の速度分散の滑らかな上昇を再現できない。
• 径方向非等方性はNFWモデルと観測結果の乖離を悪化させるが、接線方向非等方性はフィットを改善できるものの、観測的根拠に欠ける。
• 極端な径方向速度外れ値（例：約2700 km/s）は、巨大なハロー内での非常に径方向の軌道と整合的であるが、その起源は銀河間物質に関係している可能性がある。