[論文レビュー] The rotation curve of spiral galaxies and its cosmological implications

E. Battaner, E. Florido|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、渦巻銀河の回転曲線を、ダークマター・ハローの主要な証拠としてレビューし、標準的なコールド・ダーク・マター（CDM）モデル、MOND、および磁場仮説という代替説を評価する。磁場が外側ディスクの力学に顕著な影響を及える可能性があり、回転曲線が完全に重力的であるという仮定に疑問を呈し、標準的なダークマター解釈において磁場効果を無視することは、根本的な欠陥である可能性があると主張する。

ABSTRACT

We review the topic of rotation curves of spiral galaxies emphasizing the standard interpretation as evidence for the existence of dark matter halos. Galaxies other than spirals and late-type dwarfs may also possess great amounts of dark matter, and therefore ellipticals, dwarf spirals, lenticulars and polar ring galaxies are also considered. Furthermore, other methods for determining galactic dark matter, such as those provided by binaries, satellites or globular clusters, have to be included. Cold dark matter hierarchical models constitute the standard way to explain rotation curves, and thus the problem becomes just one aspect of a more general theory explaining structure and galaxy formation. Alternative theories also are included. In the magnetic model, rotation curves could also be a particular aspect of the whole history of cosmic magnetism during different epochs of the Universe. Modifications of Newtonian Dynamics provide another interesting possibility which is discussed here.

研究の動機と目的

• 渦巻銀河の回転曲線がダークマター・ハローの証拠として標準的に解釈されていることの批判的評価。
• 平坦な回転曲線の代替説、特に修正ニュートン力学（MOND）および宇宙的磁場の評価。
• 楕円銀河、レンズ状銀河、極軸リング銀河を含む非渦巻銀河におけるダークマターの役割の検討。
• ガス力学、連星系、衛星系を用いた現在の銀河的ダークマター検出手法の限界の調査。
• 銀河ディスク内の磁場が標準的な回転曲線モデルで無視されている可能性があり、これがダークマター仮説を根底から揺るがすおそれがあるかどうかの検討。

提案手法

• HIおよび可視光データからの観測回転曲線を、渦巻銀河、矮小銀河、極軸リング銀河を含む多様な銀河タイプで分析。
• コールド・ダーク・マター（CDM）階層的モデルの理論的予測を、観測された回転曲線と比較し、ハロー構造と質量分布に注目。
• MONDを適用してさまざまな天体物理学的系に適用し、ダークマターを導入せずに回転曲線に適合するかを評価。
• 宇宙的磁場が外側ディスクに存在する場合、電磁力によって平坦な回転曲線が生じる可能性を示す磁場モデルを提唱。
• 銀河内における大規模磁場の起源と進化を検討し、銀河力学の形態形成に果たす可能性のある役割を検討。
• 連星系および衛星系の統計的分析を用いて、ダークマター予測と観測との整合性をテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された渦巻銀河の回転曲線は、どれほど強くダークマター・ハローの存在を必要としているのか。
• RQ2 修正ニュートン力学（MOND）は、ダークマターを導入せずに回転曲線を説明できるのか。
• RQ3 宇宙的磁場が、渦巻銀河の平坦な回転曲線を生じる役割を果たす可能性は何か。
• RQ4 特に矮小不規則銀河では、なぜダークマターが極端に支配的であり、未確認の質量を導入せずにどのように説明できるのか。
• RQ5 衛星や球状星団を用いた銀河的ダークマター検出法は、未考慮の磁場的または力学的効果によって損なわれていないのか、信頼性は高いのか。

主な発見

• 渦巻銀河の回転曲線は、通常、可視質量の10倍以上の質量を持つ巨大会ダークマター・ハローの強力な証拠を示している。
• ボスマ関係（ガス質量とダークマター含量の関係）は、磁場モデルによってダークマター単体では説明できない自然な説明が可能である可能性がある。
• 磁場仮説は、質量対光度比の「 Conspiracy 」を必要とせず、連続的で段階的な平坦な回転曲線の説明を提供する。
• 連星銀河系では、ハロー予測との相関が一貫しないことが判明し、ダークマター・ハローが観測された力学的挙動の唯一の説明であるとは限らない可能性がある。
• CDM階層的モデルは回転曲線の形状をうまく予測できるが、ハローの詳細構造の説明や、一部の事例で構造の欠如が見られる場合の課題に直面している。
• 外側銀河ディスクにおける磁場を無視することは、現在の回転曲線モデリングにおける根本的な欠陥である可能性があり、これらの磁場がガス力学に顕著な影響を及えることで、観測速度に影響を与えるおそれがある。