[論文レビュー] The Disk-Halo Connection and Where Has All The Gas Gone?

Joel N. Bregman|ArXiv.org|Jul 20, 2009

Astro and Planetary Science被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、特にミルキーウェイを含むスパイラル銀河におけるディスク-ハロー気体の関係を、中性気体、温かい気体、およびX線発光する高温気体という多相状態のハロー気体を分析することで調査し、『欠落しているバリオン』問題を解決する。研究では、銀河の噴出を引き起こすガーディアン・フォンテン（galactic fountain）と、冷たいガスの降着が銀河に供給するガスの供給源であると提唱する。バリオンが乏しい銀河は、初期の激しい噴出や降着前の加熱によって生じるが、これはフィードバック過程を無視する従来の銀河形成モデルに挑戦する。

ABSTRACT

The wealth of data in the past decades, and especially in the past 15 years has transformed our picture of the gas around the Milky Way and other spiral galaxies. There is good evidence for extraplanar gas that is a few kpc in height and is seen in all gaseous phases: neutral; warm atomic; and hot, X-ray emitting gas. This medium is seen not only around the Milky Way, but other spiral galaxies and it is related to the star formation rate, so it is likely produced by the activity in the disk through a galactic fountain. More extended examples of halo gas are seen, such as the HVC around the Milky Way and around M31. This gas is typically 10-20 kpc from the galaxy and is not seen beyond 50 kpc. This gas is most likely being accreted. A hot dilute halo (1E6 K) is present with a similar size, although its size is poorly determined. An ongoing controversy surrounds the relative amounts of outflow from the disk and accretion onto galaxies such as the Milky Way. There is good evidence for accretion of cold material onto the Milky Way and other galaxies, but it is not clear if there is enough to modify the gas content and star formation properties in the disk. The reservoir of accretion material is as yet unidentified. Some of these findings may be related to the issue that galaxies are baryon-poor: their baryon to dark matter ratio is well below the cosmological value. The absence of baryons may be due to extremely violent outflow events in the early stages of galaxy formation. We may be able to understand this stage of galaxy evolution by applying our deepening understanding of our local disk-halo environment.

研究の動機と目的

• 中性気体、温かい気体、およびX線発光する高温気体を含む、銀河ハローにおける多相状態の気体の起源と分布を理解すること。
• 宇宙論的バリオン分率と観測された銀河内のバリオン含量の不一致、すなわち『欠落しているバリオン』問題を解消すること。
• ディスクとハロー間のガス交換を支配するのは、冷たいガスの降着か、ガーディアン・フォンテンによる噴出かを特定すること。
• 特に超新星とAGN活動を含むフィードバック過程が、バリオンを銀河から放出し、その保持を妨げる役割を果たすかどうかを評価すること。
• これらのプロセスが、フィードバックを無視する現在の銀河形成モデル（宇宙論的バリオン分率を仮定）に与える影響を評価すること。

提案手法

• 多波長観測を用いる：中性気体には21 cm HI吸収を、温かいイオン化気体には紫外吸収線（例：Ca, Na, OVI）を、高温気体（10⁶ K）にはX線放射を用いる。
• 複数のハロー星および背景のAGNを対象とした吸収線分光法による距離制約を適用し、高速雲（HVCs）および中間速度雲（IVCs）の空間的広がりと位置を特定する。
• 熱的平衡状態と高温ハロー気体の体積率を分析し、特にガーディアン・フォンテンサイクルに関連してその安定性と力学的性質をモデル化する。
• 特に矮星銀河とスパイラル銀河における観測されたバリオン分率を、宇宙論的値と比較して、欠落しているバリオン分率を定量化する。
• ガーディアン・スーパーウインドと降着前の加熱の理論的モデルを評価し、観測されたバリオン不足を説明できるかを検討する。
• X線吸収分光法を用いて、銀河群を結ぶ大規模なフィラメントに存在する未知の高温で希薄な気体（10⁵–10⁷ K）を調査し、観測されないバリオンの原因を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイのハローにおける高速雲（HVCs）と中間速度雲（IVCs）の起源は、降着かガーディアン・フォンテンの噴出か？
• RQ2 ミルキーウェイやM33のような銀河における欠落しているバリオン質量のうち、どれくらいが高温で希薄なハロー気体および降着した冷たいガスによって説明可能か？
• RQ3 超新星やAGN活動といったフィードバックプロセスが、宇宙論的平均と比較してバリオンが乏しい銀河の性質をどの程度説明できるか？
• RQ4 降着前の加熱が、ガスが銀河に崩壊するのを防ぐ役割を果たすのか、そしてそれが銀河ハロー形成に与える影響は何か？
• RQ5 大規模フィラメントに存在する未解明の高温ガス（10⁵–10⁷ K）が、宇宙バリオン予算の50％を占める欠落したバリオンを説明できるか？

主な発見

• ミルキーウェイのハローにおける高速雲（HVCs）は、ディスクから5–20 kpcの距離に位置しており、これは主に降着中の物質である可能性が高いことを示している。
• 中間速度雲（IVCs）は、ディスクから0.5–4 kpcの距離に位置しており、ガーディアン・フォンテンプロセスによって駆動されていると整合的である。
• ミルキーウェイのハローには、中性（HI）、温かいイオン化（10³.⁵–10⁵ K）、およびX線発光する高温（10⁶ K）の多相状態のガスが存在する。高温相の体積率は約20％であり、かつて予想された90％よりはるかに低い。
• ガーディアン・フォンテンは超新星によって駆動され、高温ガスが上昇し、冷却して中性または温かいガスとして再降着する、ディスクとハロー間の循環的ガス循環を生じる。
• 銀河はバリオンが乏しく、宇宙論的バリオン分率の20–30％しか保持していない。特に矮星銀河では、0.1 Ω_baryon未満にまで低下する。
• 欠落しているバリオンは、銀河群を結ぶ大規模フィラメントに存在する高温で希薄なガス（10⁵–10⁷ K）に起因している可能性が高く、より洗練されたX線吸収分光法によってのみ検出可能である。