[논문 리뷰] A wide-field HI mosaic of Messier 31. II.The disk warp, rotation and the dark matter halo

E. Corbelli, Silvio Lorenzoni외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 73인용 수 73

한 줄 요약

이 연구는 M31의 고해상도 21cm H I 모자이크를 제시하여 편경 모델링을 통해 그의 회전곡선과 암흑물질 허브를 모델링한다. 뉴턴역학은 암흑물질 허브 없이 실패하는 반면, ΛCDM 및 MOND 모델 모두 데이터에 잘 맞는다. 최적의 ΛCDM 허브는 농도 C=12, 질량 1.2×10¹² M⊙를 가지며, 560 kpc 이내 외부 질량 추정치와 일치한다.

ABSTRACT

We test cosmological models of structure formation using the rotation curve of the nearest spiral galaxy, M31, determined using a recent deep, full-disk 21-cm imaging survey smoothed to 466 pc resolution. We fit a tilted ring model to the HI data from 8 to 37 kpc. The disk of M31 warps from 25 kpc outwards and becomes more inclined with respect to our line of sight. Newtonian dynamics without a dark matter halo provide a very poor fit to the rotation curve derived using the warp model. In the framework of modified Newtonian dynamic however the 21-cm rotation curve is well fitted by the gravitational potential traced by the baryonic matter density alone. The inclusion of a dark matter halo with a density profile as predicted by structure formation in a hierarchical clustering LambdaCDM cosmology makes the mass model in newtonian dynamic compatible with the rotation curve data. The dark halo concentration for the best fit is C=12 and its total mass is 1.2 10^{12} Msun. If a dark halo model with a constant density core is considered, the core radius has to be larger than 20 kpc in order for the model to fit to the data. We extrapolate the best-fit LambdaCDM and constant-density core mass models to very large galactocentric radii, comparable to the size of the dark matter halo. A comparison of the predicted mass with the M31 mass determined at such large radii using other dynamical tracers, confirms the validity of our results. In particular the LambdaCDM dark halo model which best fits the 21-cm data well reproduces the M31 mass traced out to 560 kpc. Our estimated total mass of M31 is 1.3 10^{12} Msun, with 12% baryonic fraction and only 6% of the baryons in neutral gas.

연구 동기 및 목표

• 8에서 37 kpc 사이의 은하중심 반경 범위에서 넓은 분야의 21cm H I 모자이크를 사용하여 M31의 회전곡선을 결정하기 위해.
• 오직 간성 물질만을 고려한 뉴턴역학이 관측된 회전곡선을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• ΛCDM 및 MOND 모델이 회전곡선 데이터와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 역학적 모델링을 통해 암흑물질 허브의 매개변수(질량, 농도, 코어 반경)를 제약하기 위해.
• 최적의 허브 모델을 대규모 반경으로 외삽하여 별개의 역학적 추적자(예: 위성, 스트림)와 비교함으로써 검증하기 위해.

제안 방법

• 브라운 등(2009)의 21cm H I 속도장 데이터를 기반으로 편경 모델을 적용하여 은하중심 반경 8–37 kpc 범위에서 수행하였다.
• 독립적인 매개변수(계면속도, 중심, 원형 회전, 기울기, 위치각)를 가진 11개의 자유 레이어를 사용하여 총 66개의 자유도를 확보하였다.
• 접근하는 레이어 간 선형 보간을 사용하여 운동학적 매개변수의 부드러운 전이를 보장하였다.
• 모델의 강인성을 검증하기 위해 세 가지 독립적인 피팅 기법과 다양한 데이터 선택 기준(예: 주축 주변 각도 제한)을 사용하였다.
• 회전곡선에 ΛCDM NFW 및 일정 밀도 코어 암흑물질 허브 모델을 각각 피팅하였으며, 질량-광도 비율을 자유 매개변수로 사용하였다.
• 최적의 피팅 허브 모델을 대규모 반경(최대 560 kpc)까지 외삽하고, 구형별 군집, tidal 스트림, 위성 시스템과 같은 관측자료와 예측 질량을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뉴턴역학에서 M31의 관측된 회전곡선은 암흑물질 허브가 필요할까?
• RQ2 수정 뉴턴역학(MOND)은 암흑물질을 도입하지 않고도 M31의 회전곡선을 재현할 수 있을까?
• RQ3 M31에서 ΛCDM 암흑물질 허브의 최적 피팅 매개변수(질량, 농도, 코어 반경)는 무엇일까?
• RQ4 최적 피팅 허브 모델의 외삽 질량은 대규모 반경에서 별개의 역학적 추정치와 어떻게 비교될까?
• RQ5 21cm 회전곡선과 허브 모델링을 통해 유도된 M31의 총질량과 간성 물질 비율은 무엇일까?

주요 결과

• M31의 디스크는 25 kpc 이상에서 비틀어지며, 35 kpc에서 기울기가 86°로 증가하고, 은하의 양측 반구에서 일관된 회전곡선을 보인다.
• 오직 간성 물질(별과 가스)만을 고려한 뉴턴역학은 20 kpc 이상에서 관측된 평탄한 회전곡선을 재현하지 못한다.
• MOND는 암흑물질 허브 없이도 간성 물질의 중력 잠재력만으로도 회전곡선에 잘 맞는다.
• 최적 피팅 ΛCDM 암흑물질 허브의 농도 매개변수 C는 12이며, 총질량은 1.2×10¹² M⊙이다.
• 일정 밀도 코어 모델은 데이터를 맞추기 위해 코어 반경 >20 kpc가 필요하며, 최적 피팅 코어 반경은 77 kpc이다. 그러나 이는 대규모 반경에서 질량을 과도하게 예측한다.
• 외삽된 ΛCDM 및 일정 코어 허브 모델은 560 kpc 이내에서 외부 추적자(구형별 군집, 위성)로부터 유도된 M31의 총질량(1.3×10¹² M⊙)과 잘 일치하며, 간성 물질 비율은 12%이다.