[論文レビュー] Visible and dark matter in M 31 - II. A dynamical model and dark matter density distribution

Elmo Tempel, A. Tamm+1 more|ArXiv.org|Jul 30, 2007

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、光度的および化学的進化データを用いてM31の動的モデルを構築し、暗黒物質（DM）密度分布を導出する。予測された星の回転速度および速度分散を観測値と比較することで、NFWおよびEinasto DMプロファイルがデータに最もよく適合することが判明し、M31の全質量は1.19–1.28×10¹² M☉、DM対可視質量比は10.0–10.8を示した。これは、よく観測された円盤銀河におけるΛCDM予測を支持する。

ABSTRACT

In the present paper we derive the density distribution of dark matter (DM) in a well-observed nearby disc galaxy, the Andromeda galaxy. From photometrical and chemical evolution models constructed in the first part of the study (Tamm, Tempel & Tenjes 2007 (arXiv:0707.4375), hereafter Paper I) we can calculate the mass distribution of visible components (the bulge, the disc, the stellar halo, the outer diffuse stellar halo). In the dynamical model we calculate stellar rotation velocities along the major axis and velocity dispersions along the major, minor and intermediate axes of the galaxy assuming triaxial velocity dispersion ellipsoid. Comparing the calculated values with the collected observational data, we find the amount of DM, which must be added to reach an agreement with the observed rotation and dispersion data. We conclude that within the uncertainties, the DM distributions by Moore, Burkert, Navarro, Frenk & White (NFW) and the Einasto fit with observations nearly at all distances. The NFW and Einasto density distributions give the best fit with observations. The total mass of M 31 with the NFW DM distribution is 1.19*10^12 M_sun, the ratio of the DM mass to the visible mass is 10.0. For the Einasto DM distribution, these values are 1.28*10^12 M_sun and 10.8. The ratio of the DM mass to the visible mass inside the Holmberg radius is 1.75 for the NFW and the Einasto distributions. For different cuspy DM distributions, the virial mass is in a range 6.9-7.9*10^11 M_sun and the virial radius is ~150 kpc. The DM mean densities inside 10 pc for cusped models are 33 and 16 M_sun pc^-3 for the NFW and the Einasto profiles, respectively. For the cored Burkert profile, this value is 0.06 M_sun pc^-3.

研究の動機と目的

• 一貫性のある動的モデルを用いて、M31における暗黒物質密度分布を導出すること。
• 異なる暗黒物質プロファイルからの予測と観測された運動学（回転曲線および速度分散）との一致を検証すること。
• 光度的および分光的データを用いて、可視成分の質量光度比（M/L）を制約すること。
• 近接でよく研究された円盤銀河における、ΛCDM予測と観測結果の整合性を評価すること。
• NFW、Einasto、Burkert、Mooreなどの異なるDMプロファイルが、全質量および中心密度推定値に与える影響を評価すること。

提案手法

• U、B、V、R、I、Lフィルタを用いた多バンド表面輝度プロファイルを用いて、M31の星形成成分（バルジ、ディスク、ハロー）の光度モデルを構築する。
• 測定された金属量を用いた化学的進化モデルを用いて、各銀河成分の年齢および質量光度比（M/L）を導出する。
• 三軸動的モデルを適用し、主軸、小軸、中間軸に沿った予測された星の回転速度および速度分散を計算する。
• 星および惑星状星雲からの観測された回転曲線および速度分散プロファイルとモデル予測を比較する。
• モデルと観測値の残差を最小化するように暗黒物質分布を調整し、NFW、Einasto、Burkert、Mooreプロファイルをテストする。
• 球状星団、衛星、および銀河系–M31系の運動学的制約を用いて、大規模な質量推定値の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの暗黒物質密度プロファイル（NFW、Einasto、Burkert、Moore）が、M31の全半径にわたって観測された運動学を最もよく再現するか？
• RQ2 回転曲線および速度分散の両方の制約を受ける場合、M31の全質量は何か？ そのうち暗黒物質はどの程度の割合を占めるか？
• RQ3 M31の中心付近の暗黒物質密度は、他の銀河と比較してどうか？ また、ΛCDM予測と整合するか？
• RQ4 化学的進化モデルから導かれる可視成分のM/L比は、推定される暗黒物質分布にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 M33およびIC 10の自己運動から導かれる下限値と比較して、M31の観測された質量分布は整合性があるか？

主な発見

• NFWおよびEinasto暗黒物質プロファイルが、M31のほぼ全半径にわたり、観測された回転および分散データに最もよく適合する。
• NFW暗黒物質プロファイルを用いた場合、M31の全質量は1.19×10¹² M☉であり、暗黒物質対可視質量比は10.0である。
• Einastoプロファイルを用いた場合、全質量は1.28×10¹² M☉、暗黒物質対可視質量比は10.8である。
• ホルムベルク半径（約25 kpc）以内では、NFWおよびEinastoプロファイルの両方で、暗黒物質対可視質量比は1.75である。
• 中心部（10 pc内）の暗黒物質密度は、NFWで33 M☉ pc⁻³、Einastoで16 M☉ pc⁻³であり、コアを持つBurkertプロファイルでは0.057 M☉ pc⁻³にとどまる。
• 結果は、衛星および自己運動データから導かれる7.5×10¹¹ M☉の下限値と整合しており、円盤銀河の構造に関するΛCDMパラダイムを支持する。