[論文レビュー] Visible and dark matter in M31 - I. Properties of stellar components

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

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、多バンド画像測光、ダスト補正、化学進化モデルを用いて質量光度比と固有色を導出することにより、M31の星族成分（バルジ、ディスク、内側ハロー、外側拡散的ハロー）の多成分構造モデルを提示する。観測されたハローの色は、モデル予測よりも顕著に赤くなっていることが判明し、化学進化モデルの不一致、または考慮されていない星族の存在を示唆している。可視質量の合計は (10–19) × 10¹⁰ M☉ であり、M/L_Bは 3.1 から 5.8 M☉/L☉ の範囲にある。

ABSTRACT

We construct a structural model of the Andromeda Galaxy, simultaneously corresponding to observed photometrical and kinematical data and chemical abundances. In this paper we present the observed surface brightness, colour and metallicity distributions, and compare them to the model galaxy. In Paper II (Tempel, Tamm & Tenjes 2007) we present similar data for the kinematics, and derive the mass distribution of the galaxy. On the basis of U, B, V, R, I and L luminosity distributions, we construct the model galaxy as a superposition of four axially symmetric stellar components: a bulge, a disc, an inner halo and an extended diffuse halo. By using far-infrared imaging data of M31 and a thin dust disc assumption, we derive dust-free surface brightness and colour distributions. We find the total absorption corrected luminosity of M31 to be L_B = (3.3+/-0.7)x10^10 L_sun, corresponding to an absolute luminosity M_B = -20.8+/-0.2 mag. Of the total luminosity, 41% (0.57 mag) is obscured from us by the dust inside M31. Using chemical evolution models, we calculate mass-to-light ratios of the components, correspoding to the colour indices and metallicities. We find the total intrinsic mass-to-light ratio of the visible matter to be M/L_B=3.1-5.8 M_sun/L_sun and the total mass of visible matter M_vis =(10-19)x10^10 M_sun. The use of the model parameters for a dynamical analysis and for determining dark matter distribution is presented in Paper II.

研究の動機と目的

• 画像測光、運動学的、および元素組成のデータを統合して、M31の星族成分の自己整合的構造モデルを構築すること。
• 観測された表面輝度、色、金属量の分布と化学進化モデルを組み合わせることで、M31の星族の質量光度比を決定すること。
• 特にハロー領域で顕在する不一致を考慮し、化学進化モデルが観測された色をどれほど正確に再現できるかを評価すること。
• 可視物質の分布と性質を正確に制約することで、M31におけるダークマターの力学的モデリングの基盤を提供すること。
• 観測誤差、初期質量関数の仮定、モデルのデゲネラシーに起因する質量光度比の不確実性を定量化すること。

提案手法

• モデルはM31を、バルジ、ディスク、内側ハロー、外側拡散的ハローという4つの軸対称星族成分の重ね合わせとして構築する。
• 多バンド画像測光（U, B, V, R, I, L）を用いて、ダスト減光補正（遠赤外データと薄いダストディスク仮定を用いて）を施した表面輝度および色分布を導出する。
• 単純星族の化学進化モデルを適用し、観測された金属量と星形成歴の推定値と整合するように、各成分に金属量と色を割り当てる。
• 年齢と金属量の制約を文献および色mag図解析から得ることで、質量光度比（M/L_B）を導出する。
• パラメータの不確実性は、赤色カイ二乗統計量の2階微分を用いて推定し、観測誤差と手法的誤差を考慮する。
• 予測された色と光度を主軸および小軸に沿って観測データと比較することでモデルを検証し、外側ハローにおける不一致がモデルの限界を示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学進化モデルは、M31の星族成分の異なる部分で観測された固有色をどれほど正確に再現できるか？
• RQ2 M31のバルジ、ディスク、内側ハロー、外側拡散的ハローの質量光度比は何か？また、金属量と年齢に応じてどのように変化するか？
• RQ3 なぜ外側ハローの観測色は、化学進化モデルの予測よりも顕著に赤くなっているのか？
• RQ4 ダスト減光と測定誤差は、M31の星族成分の推定光度およびM/L比にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 多バンド画像測光、金属量データ、化学進化モデルをどのように統合することで、その後のダークマター解析に向けた可視物質の分布を制約できるか？

主な発見

• M31の全Bバンド光度は (3.3 ± 0.7) × 10¹⁰ L☉ であり、絶対等級は M_B = -20.8 ± 0.2 mag に相当し、内部ダストによる光の遮蔽は全光度の41%（0.57 mag）に相当する。
• バルジとディスクの固有色は、6–10 Gyr前に星形成が発生した星族と整合しており、ディスクの光度の10%を占めるが質量の1%未満である小さな若年星族が存在する。
• 外側ハローは、化学進化モデルの予測よりも顕著に赤い観測色を示しており、100億年分の進化を経ても同様の不一致が残っている。これは、考慮されていない星族やモデルの限界を示唆している。
• 質量光度比（M/L_B）の推定値は、バルジで 3.7–6.9、ディスクで 2.9–5.2、内側ハローで 2.7–5.7、外側拡散的ハローで約2である。
• M31の全可視質量は (10–19) × 10¹⁰ M☉ であり、全固有M/L_Bは 3.1–5.8 M☉/L☉ の範囲にある。不確実性は化学進化モデルの仮定に起因する。
• 外側ハローのM/L_B推定値は特に不確実性が大きく（100%以上の誤差）、次に続くPaper IIで運動学的データを用いて制約を厳しくする必要がある。