[論文レビュー] Vertical distribution of Galactic disk stars: III. The Galactic disk surface mass density from red clump giants

O. Bienaymé, C. Soubiran+3 more|ArXiv.org|Oct 14, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 49被引用数 67

ひとこと要約

本研究は、オペラトワール・ドゥ・オート・プロヴァンスで観測された赤クラウド巨星と、ハイパルコスデータを併用して、銀河のディスクの表面質量密度を測定した。垂直重力ポテンシャルを1パラメータおよび2パラメータのモデルでモデル化することで、ディスク平面から1.1 kpc以内の領域で表面質量密度が57–79 M⊙ pc⁻²であることが判明し、ディスク内の有意なダークマターの存在に明確な証拠はなく、強く扁平化したダークホールは排除された。

ABSTRACT

We used red clump stars to measure the surface mass density of the Galactic disk in the solar neighbourhood. High resolution spectra of red clump stars towards the NGP have been obtained with the ELODIE spectrograph at OHP for Tycho-2 selected stars, and nearby Hipparcos counterparts were also observed. We determined their distances, velocities, and metallicities to measure the gravitational force law perpendicular to the Galactic plane. As in most previous studies, we applied one-parameter models of the vertical gravitational potential. We obtained a disk surface mass density within 1.1kpc of the Galactic plane, Sigma_{1.1kpc}=64+/-5 Msun_pc^{-2}, with an excellent formal accuracy, however we found that such one-parameter models can underestimate the real uncertainties. Applying two-parameter models, we derived more realistic estimates of the total surface mass density within 800pc from the Galactic plane, Sigma_{0.8kpc}=57-66 Msun pc^{-2}, and within 1.1kpc, Sigma{1.1kpc}=57-79 Msun pc^{-2}. This can be compared to literature estimates of \sim40 Msun pc^{-2} in stars and to 13 Msun pc^{-2} in the less accurately measured ISM contribution. We conclude that there is no evidence of large amounts of dark matter in the disk and, furthermore, that the dark matter halo is round or not vey much flattened. A by-product of this study is the determination of the half period of oscillation by the Sun through the Galactic plane, 42+/-2Myr, which cannot be related to the possible period of large terrestrial impact craters \sim 33-37Myr.

研究の動機と目的

• 赤クラウド巨星を運動 tracer として用いて、銀河ディスクの局所的表面質量密度を特定すること。
• 特に1パラメータモデルと2パラメータモデルの違いが、表面質量密度の不確実性推定に与える影響を評価すること。
• 観測された垂直ポテンシャルが、銀河ディスク内に顕著なダークマター寄与を要するかどうかを検証すること。
• 改善された動力学的制約を用いて、太陽の銀河平面を通過する振動の半周期を再評価すること。
• 導出された質量密度が、独立した星間物質、ガス、およびダークマター寄与の推定値と整合するかを検討すること。

提案手法

• ティコ-2カタログを用いて北銀極方向の赤クラウド巨星を選別し、OHPのELODIE分光計を用いて高分解能分光を取得した。
• 分光データとハイパルコスの天球測定データを統合し、各星の距離、径方向速度、金属量([Fe/H])を決定した。
• これらの星の垂直方向位相空間分布を用いて、垂直重力ポテンシャルをモデル化し、表面質量密度を推定した。
• 系の不確実性を評価するために、1パラメータモデル（球対称ダークホール）と2パラメータモデル（扁平化したダークホール）を適用した。
• 局所的体積質量密度（0.10 M⊙ pc⁻³）および星やガスによる既知の寄与を制約として組み込み、整合性を検証した。
• 導出された垂直力則を用いて、太陽の銀河平面を通過する振動の半周期を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤クラウド巨星の制約のもとで、銀河ディスクの表面質量密度は、平面から1.1 kpc以内でどの程度か？
• RQ2 ダークマター・ホールの形状（球対称対比して扁平化）に関する異なる仮定が、導出された表面質量密度およびその不確実性にどのように影響するか？
• RQ3 銀河ディスク平面内に顕著なダークマター寄与がある証拠はあるか？
• RQ4 導出された太陽の振動周期は、周期的な地上の衝突クレーターと関連づけられるか？
• RQ5 1パラメータモデルと2パラメータモデルの間で、表面質量密度推定値の不確実性はどのように比較されるか？

主な発見

• 1パラメータモデルでは、銀河平面から1.1 kpc以内の表面質量密度が64 ± 5 M⊙ pc⁻²となったが、これは真の不確実性を低く見積もっている。
• 扁平化したダークホールを許容する2パラメータモデルを用いることで、1.1 kpc以内で57–79 M⊙ pc⁻²、800 pc以内で57–66 M⊙ pc⁻²の範囲に表面質量密度が制限された。
• 導出された表面質量密度は、可視物質（53 M⊙ pc⁻²）と球対称ダークホール寄与（15 M⊙ pc⁻²）の合計と整合的である。
• 扁平化度が約2–3より大きいダークホールはデータによって除外され、これはホールがほぼ球対称でなければならないことを示している。
• 太陽の銀河平面を通過する振動の半周期は42 ± 2 Myrと測定されたが、これは地上の衝突クレーターで観測された33–37 Myrの周期性と整合しない。
• 局所的体積質量密度（0.10 M⊙ pc⁻³）は、ダークマターに0.014 M⊙ pc⁻³しか残さない。これは、ガス密度が過大評価されていない限り、ホールの扁平化度が最大で約2の程度に制限される。