[論文レビュー] The Fundamental Scaling Relations of Elliptical Galaxies

Brant Robertson, Thomas J. Cox+5 more|CERN Bulletin|Nov 1, 2005

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、ガス豊富な円盤銀河の合体——特にガス割合が30%を超えるもの——が、楕円銀河の基本平面（FP）の観測された傾きを、中心部の星の位相空間密度の増加によって生じさせると提案する。シミュレーションでは、非断熱過程がFPの傾きを増幅させること（Rₑ ∝ σ¹.⁵⁵Iₑ⁻⁰.⁸²）を示し、観測されたKバンドスケーリングと一致する。一方、球状構造の非断熱合体ではFPが保存され、初期のガス豊富な合体がz ≈ 1–3にかけてFPを形成し、その後のドライ合体がそれを維持することを示唆する。

ABSTRACT

(ABRIDGED) We examine the fundamental scaling relations of elliptical galaxies formed through mergers. Using hundreds of simulations to judge the impact of progenitor galaxy properties on merger remnants, we find that gas dissipation provides an important contribution to tilt in the Fundamental Plane relation. Dissipationless mergers of disks produce remnants that occupy the virial plane. As the gas content of disk galaxies is increased, the tilt of the Fundamental Plane relation increases and the slope of the Re-M_* relation steepens. For gas fractions fgas > 30%, the simulated Fundamental Plane scalings approach those observed in the K-band. In our simulations, feedback from supermassive black hole growth has only a minor influence on the stellar-mass scaling relations of spheroidal galaxies, but may play a role in maintaining the observed Fundamental Plane tilt at optical wavelengths by suppressing residual star formation in merger remnants. We estimate that \approx 40-100% of the Fundamental Plane tilt induced by structural properties owes to trends in the central total-to-stellar mass ratio M_total/M_* produced by dissipation. Lower mass systems obtain greater phase- space densities than higher mass systems, producing a galaxy mass-dependent central M_total/M_* and a corresponding tilt in the Fundamental Plane.

研究の動機と目的

• 合体形成シナリオにおける楕円銀河の基本平面（FP）の傾きの物理的起源を特定すること。
• ガスの非断熱過程、星の運動学、ブラックホールフィードバックがFPおよびRₑ–M⋆関係に与える影響を評価すること。
• 球状構造の非断熱合体がFPを保存するかどうか、および再合体がスケーリング関係に与える影響を調査すること。
• 全質量/星質量比（M_total/M⋆）と冷却効率の変動が、さまざまな銀河質量におけるFPの傾きに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 自己重力、星形成、超新星フィードバック、ブラックホール降着/フィードバックを含む滑らかな粒子法（SPH）を用いて、数多くの銀河合体をシミュレートした。
• 初期の球状構造形成をモデル化するため、ガス割合f_gas > 30%のガス豊富な円盤銀河の合体を用い、その後のFPおよびRₑ–M⋆関係を追跡した。
• 構造的変化とFPの傾きの関連を明確にするために、中心部の星の位相空間密度とM_total/M⋆比を追跡した。
• 球状構造の非断熱合体と円盤残骸の再合体を比較し、時間経過に伴うFPの安定性を評価した。
• 低質量ハローや高質量ハローよりも冷却効率やガス消費 timescale を変化させ、質量依存的な非断熱効果を説明した。
• ブラックホールフィードバックが星質量スケーリング関係およびM_BH–σ関係に与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河合体におけるどの物理的メカニズムが、楕円銀河の基本平面の観測された傾きを生じさせるか？
• RQ2 合体過程におけるガスの非断熱過程が、非断熱合体と比較してRₑ–M⋆関係およびFPスケーリング関係にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ドライで非断熱的な球状銀河の合体が、初期のガス豊富な合体で印されたFP関係をどの程度維持するか？
• RQ4 非断熱によって引き起こされる構造的変化が、さまざまな銀河質量におけるFPの傾きに与える影響を、中心部のM_total/M⋆比の変動がどのように寄与するか？
• RQ5 ブラックホールフィードバックは、光学的波長域における観測されたFPの傾きを維持するために、どのような役割を果たすか？

主な発見

• f_gas > 30%の合体におけるガスの非断熱過程は、観測されたKバンドスケーリング（Rₑ ∝ σ¹.⁵³Iₑ⁻⁰.⁷⁹）に近く、FPの傾き（Rₑ ∝ σ¹.⁵⁵Iₑ⁻⁰.⁸²）を生じさせる。
• 非断熱は、特に低質量系において、効率的なガス冷却とコンパクトな星形成により、中心部の星の位相空間密度を増加させる。これにより、質量依存的なM_total/M⋆比とFPの傾きが生じる。
• 球状構造の非断熱合体および円盤残骸の再合体はFPの傾きを保存するため、初期のガス豊富な合体がスケーリング関係を印字していることが示唆される。
• FPの傾きは、主に構造的要因——特に中心部のM_total/M⋆比——によって駆動されており、星の集団の傾向よりも重要である。非断熱による構造的変化が、傾きの約40–100%を占めると推定される。
• ブラックホールフィードバックは星質量スケーリング関係にほとんど影響しないが、残存する星形成を抑制することで、光学的波長域におけるFPの傾きの維持に寄与する可能性がある。
• 高質量ハローでは、衝突加熱されたガスの冷却が非効率で非断熱が抑制される一方、低質量系ではガス消費 timescale が短いため、非断熱の影響が強化され、これにより傾きの質量依存性が説明できる。