[論文レビュー] The nature of disk of satellites around Milky Way-like galaxies

Moupiya Maji, Qirong Zhu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、はくちゅう銀河サイズの天体を対象とした高解像度の流体力学的シミュレーションおよびドメスティックマターのみのシミュレーションを用い、衛星のディスク（DoS）の起源を調査した。その結果、DoSは一貫性のある回転構造ではなく、小規模なサンプルサイズに起因する選択効果であり、バリオン物理学がドメスティックマターのみのモデルと比較して衛星の分布および運動学的特性に顕著な影響を与えていることが判明した。

ABSTRACT

It has been suggested that the satellite galaxies of the Milky Way reside in a highly-flattened, kinematically-coherent plane called Disk of Satellites (DoS). The origin of the DoS, however, has been hotly debated, and a number of conflicting claims have been reported in the literature on whether or not the DoS is consistent with predictions from the standard Lambda Cold Dark Matter ($Λ$CDM) cosmological model. Here we investigate this issue by comparing a high-resolution, hydrodynamic $Λ$CDM simulation of a Milky Way sized galaxy with its dark matter only counterpart. We find the following results: (1) The abundance and distribution of satellite galaxies around a host galaxy is significantly different in the hydro simulation compared to its N-body counterpart; (2) No clear coherent rotation is found in the satellite system, as the fractions of corotating and counter-corotating satellites remain comparable across cosmic time; (3) The satellite distribution evolves significantly with time, from nearly isotropic at high redshift to anisotropic at the present day; (4) The DoS properties strongly depend on sample selection and plane identification methods. Our results imply that the spatially-thin and coherently-rotating DoS reported in Milky Way and other galaxies may be a selection effect of small sample size.

研究の動機と目的

• はくちゅう銀河における観測された衛星のディスク（DoS）が、実在の物理的構造であるのか、統計的アーチファクトであるのかを特定すること。
• ドメスティックマターのみのシミュレーションと比較して、バリオン物理学が衛星の分布および運動学的特性に与える影響を調査すること。
• サンプルサイズおよび平面フィッティング手法が、DoSの見かけの非等方性および一貫性に与える影響を評価すること。
• DoSが標準的なΛCDM宇宙論的モデルの予測と整合しているかどうかを検証すること。
• 宇宙の高赤方偏移から現在に至るまでの間に、衛星の非等方性がどのように進化するかを理解すること。

提案手法

• はくちゅう銀河サイズの天体を対象とした高解像度の宇宙論的流体力学的シミュレーションを実施し、そのドメスティックマターのみの（N体）対応シミュレーションと比較した。
• 両シミュレーションにおいて、z=0における衛星銀河の空間的分布および運動学的整合性を測定した。
• 最小二乗法や距離に重みを付けてフィッティングするなど、複数の平面フィッティング手法を適用し、DoSの特定とその特性の評価を行った。
• 100,000回のモンテカルロシミュレーションを用いて、サンプルサイズおよび入力非等方性が衛星系のc/a比（平坦性）に与える影響をテストした。
• 宇宙の歴史にわたって、衛星のコリレーションおよびカウンター回転の割合を計算し、運動学的整合性を評価した。
• 1および1/r²で重み付けした衛星分布を用いて、c/a比が距離依存バイアスにどれほど敏感であるかをテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 はくちゅう銀河における観測された衛星のディスクは、実在の運動学的整合性を持つ構造であるのか、それとも小規模なサンプルサイズに起因するアーチファクトであるのか？
• RQ2 星形成、再イオン化、潮汐的剥ぎ取りといったバリオン過程は、ドメスティックマターのみのシミュレーションと比較して、衛星銀河の空間的および運動学的分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 DoSの性質がどの程度、サンプル選択および平面同定手法に依存するか？
• RQ4 衛星系が、高赤方偏移では等方的から、z=0では非等方的へと進化するのか？そしてその進化は階層的構造形成に起因するのか？
• RQ5 3次元の角運動量を完全に考慮した場合、観測されたDoSはΛCDMシミュレーションで再現可能か？それとも、視線方向速度しか使わないことによるアーチファクトなのか？

主な発見

• 流体力学的シミュレーションでは1Mpc圏内に106個の星形成矮星銀河が生成されたが、ドメスティックマターのみのシミュレーションでは21,220個の準銀河が存在し、バリオン抑制により準銀河の数が顕著に減少していることが示された。
• 流体力学的シミュレーションにおける衛星系は顕著な非等方的分布を示したが、N体シミュレーションでは等方的分布であった。
• 一貫性のある回転は検出されなかった。コリレーションとカウンター回転の衛星の割合は、宇宙の歴史にわたってほぼ同等（約19％）で推移した。
• 衛星の分布は、高赤方偏移では等方的から、z=0ではますます非等方的へと進化しており、階層的構造形成におけるフィラメント状の吸収と整合的であった。
• 観測されたDoSの性質（平坦性、整合性など）は、サンプルサイズおよび平面フィッティング手法に極めて敏感であり、小規模なサンプルでは非等方性が人工的に強調される傾向がある。
• モンテカルロシミュレーションの結果、11個の衛星しか存在しない場合、入力c/a = 0.4の系が、約20％の確率で出力c/a ≤ 0.18を示すことが判明し、観測された非等方性が小規模サンプルの統計的アーチファクトである可能性を示唆した。