[논문 리뷰] A Heavy Baryonic Galactic Disc

J. I. Davies|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비바리온성 어둠침입 물질이 필요 없이, 주로 냉각된 원자 및 분자 수소로 이루어진 질량이 큰 확장된 비바리온성 디스크를 통해 나선은하의 평탄한 회전곡선을 설명할 수 있다고 제안한다. 메스텔의 디스크 모델을 확장하고 현재 관측된 것보다 약 7배 더 많은 비바리온 질량을 가정함으로써, 저자들은 이러한 디스크가 관측된 회전곡선과 툴리-파이저 관계를 자연스럽게 재현함을 보여주며, 디스크-은하호 협력 문제와 최대 디스크 피팅 문제와 같은 오랫동안 남아있던 수수께끼를 해결한다.

ABSTRACT

We investigate the possibility that the observed rotation of galaxies can be accounted for by invoking a massive baryonic disc with no need for non-baryonic dark matter or a massive halo. There are 5 primary reasons for suggesting this: 1. there are well known disc surface mass density distributions that naturally produce the observed rotation curves of galaxies. 2. there are a number of rotation curve `puzzles' that cannot be explained by a massive dark matter halo i.e. the success of maximum disc fitting, HI gas scaling to the observed rotation, the disc/halo conspiracy and the interpretation of the Tully-Fisher relation. 3. recent 21cm observations show an almost constant HI surface density and a distinct `cut-off' or edge to galactic discs. We explain this constant surface density in terms of either an optical depth effect or the onset of molecular gas formation and hence the possibility of considerably more gas existing in galaxies. We suggest that the HI cut-off does indeed mark the edge of the galactic disc. 4. there have been an increasing number of recent observations that imply that X_CO may be ten times higher in the outer Galaxy. This `dark' gas may provide adequate mass to account for galaxy rotation. 5. we show that the additional baryonic mass required to account for the rotation of galaxies is just that required to reconcile observed baryons with those predicted by big bang nucleosynthesis. Mestel discs can be used to straight forwardly explain the scaling laws of galaxies, particularly the observed relation between rotation velocity and radius and the oft used Tully-Fisher relation. We discuss observations of the baryonic content of galactic discs and where sufficient `hidden' baryons might be found to account for the rotation.

연구 동기 및 목표

• 비바리온성 어둠침입 물질이 필요 없이 평탄한 은하 회전곡선을 설명하는 데서 그 필요성을 도전한다.
• 특히 숨겨진 원자 및 분자 가스를 포함한 질량이 큰 비바리온성 디스크가 관측된 운동학을 설명할 수 있는지 조사한다.
• 디스크-은하호 협력 문제와 최대 디스크 피팅과 같은 오랫동안 남아있던 은하 역학 문제들을 비바리온 질량만으로 해결한다.
• 빅뱅 핵합성 예측과 관측된 비바리온 질량을 조율하기 위해 은하 디스크 내 숨겨진 비바리온 자원을 고려함으로써 이를 달성한다.
• 이sovothermal 기체 원시은하의 단일 붕괴가 관측된 척도 법칙, 예를 들어 툴리-파이저 관계를 자연스럽게 생성할 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 평탄한 회전곡선을 생성하는 표면 질량 밀도 분포를 유도하기 위해 메스텔의 해석적 디스크 모델—특히 일정 선속도(메스텔) 디스크와 일정 각속도 디스크—를 사용한다.
• 이sovothermal, 일정 밀도의 구형 구름의 붕괴 모델에서 유도된 표면 질량 밀도 프로파일을 활용하여 중력 포텐셜 계산을 통해 관측된 회전곡선을 설명한다.
• HI 21cm 관측 결과에 대한 수정된 해석을 제안하며, 관측된 일정한 HI 표면 밀도가 광학적 두께 효과 또는 분자 기체 형성의 시작에 기인할 수 있으며, 이는 이전에 상정한 것보다 훨씬 더 큰 총 기체 질량을 암시한다.
• HI '절단점'은 기체의 단절이 아니라 은하 디스크의 진정한 경계를 나타내며, 이 경계는 분자 기체로의 전이를 의미한다.
• 외곽 은하에서 X_CO 요소가 10배 증가할 수 있음을 암시하는 감마선 관측 결과를 재해석하며, 감지되지 않은 분자 기체의 큰 잠재 reservoir 가 존재할 가능성을 제기한다.
• 툴리-파이저 관계를 진단 도구로 사용한다: 메스텔 모델에서 예측된 로그 기울기 1/3 이 관측 결과와 일치하여 비바리온 디스크 가설을 지지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비바리온성 어둠침입 물질을 도입하지 않고도 평탄한 은하 회전곡선을 비바리온 질량이 큰 디스크로 설명할 수 있는가?
• RQ2 어떤 표면 질량 밀도 분포가 관측된 평탄한 회전곡선을 자연스럽게 생성할 수 있으며, 이는 기체 원시은하의 중력 붕괴에서 유래할 수 있는가?
• RQ3 왜 관측된 HI 표면 밀도가 일정하게 보이며, 이는 차가운, 투명하지 않은 원자 및 분자 기체의 숨겨진 자원을 반영할 수 있는가?
• RQ4 관측된 툴리-파이저 관계의 기울기 약 1/3 이 비바리온 디스크 역학에서 어떻게 유도되며, 이는 어둠침입 물질 홀로의 부재를 지지하는가?
• RQ5 관측된 비바리온 질량과 빅뱅 핵합성 예측 간의 괴리가 디스크 내 숨겨진 비바리온 성분을 고려함으로써 해결되는가?

주요 결과

• 메스텔의 일정 선속도 모델과 일치하는 표면 질량 밀도 프로파일을 가진 질량이 큰 비바리온 디스크는 어둠침입 물질 홀로 필요 없이 평탄한 회전곡선을 자연스럽게 생성할 수 있다.
• 관측된 일정한 HI 표면 밀도는 광학적 두께 효과와 분자 기체 형성의 시작을 조합한 결과와 일치하며, 이는 이전에 고려된 것보다 최대 7배 더 많은 비바리온 질량이 존재할 수 있음을 암시한다.
• 큰 반경에서의 HI '절단점'은 기체의 단절이 아니라 은하 디스크의 진정한 경계를 나타내며, 이는 연속적인 질량이 큰 비바리온 디스크의 존재를 지지한다.
• 툴리-파이저 관계의 관측된 기울기 약 1/3 은 메스텔의 모델이 일정 밀도 원시은하 구름이 각운동량 분포를 유지한 채 붕괴하는 것을 가정함으로써 자연스럽게 재현된다.
• 회전곡선을 설명하기 위해 필요한 추가 비바리온 질량은 관측된 비바리온 질량과 빅뱅 핵합성 예측을 조율하기 위해 정확히 필요한 양이며, 따뜻한 간성간 매질이 필요 없음을 의미한다.
• 이 모델은 어둠침입 물질 홀이 전혀 필요 없게 되면서, 디스크-은하호 협력 문제와 최대 디스크 피팅과 같은 은하 역학의 '공모' 문제들을 해결한다.