[논문 리뷰] Apparent cores and non-circular motions in the HI discs of simulated galaxies

Kyle A. Oman, Antonino Marasco외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 APOSTLE 시뮬레이션 틈새에서 유도된 천체역학적 시뮬레이션을 사용하여, HI 기체의 속도장에서의 비원형 운동—특히 $m=2$ 이중대칭 변동—이 표준 기울은 고리 방법을 사용할 경우 매우 변동성이 큰 회전곡선을 초래함을 보여준다. 이러한 잡음은 내부 원형 속도를 심각하게 과소평가할 수 있으며, 이는 실제 운동학적 특징을 암흑물질 코어로 오해하게 하여 $\text{ΛCDM}$에 반대되는 증거로 오용될 위험이 있다.

ABSTRACT

We measure HI rotation curves for simulated galaxies from the APOSTLE suite of $\Lambda$CDM cosmological hydrodynamical simulations with velocities in the range $60 < V_{ m max}/{ m km}\,{ m s}^{-1} < 120$. These galaxies compare well with those in surveys of quiescent discs such as THINGS and LITTLE THINGS in terms of the mass, size and kinematics of their HI discs, as well as the local and global asymmetry of their HI velocity fields. We construct synthetic 'observations', akin to interferometric HI measurements of nearby galaxies, and apply a conventional tilted-ring modelling procedure. The modelling generally results in a large diversity of rotation curves for each individual galaxy, depending on the orientation of the chosen line of sight. These variations arise from non-circular motions in the gas and, in particular, from strong bisymmetric ($m=2$) fluctuations in the azimuthal gas velocity field which the tilted-ring model is ill-suited to account for. Such perturbations are often difficult to detect in model residuals. Still, we show that they are clearly present in DDO 47 and DDO 87, two galaxies with slowly-rising rotation curves in apparent conflict with $\Lambda$CDM predictions. Rotation curves derived using modelling procedures unable to account for non-circular motions are likely to underestimate, sometimes significantly, the circular velocity in the inner regions and risk being misinterpreted as evidence for possibly nonexistent cores in the dark matter. The extent to which these findings affect observed galaxies with an apparent 'core' should be investigated in detail before such cores may be used as dependable evidence against the simplest predictions of the $\Lambda$CDM paradigm.

연구 동기 및 목표

• 시뮬레이션된 은하에서 HI 기체의 비원형 운동이 회전곡선 유도에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 운동학적 교란이 존재하는 상황에서 전통적인 기울인 고리 모델링 절차가 진짜 원형 속도를 신뢰성 있게 복원하는지 평가하기 위해.
• 시뮬레이션된 은하에서 보이는 암흑물질 코어가 고려되지 않은 비원형 운동으로 인한 오해일 수 있는지 조사하기 위해.
• 관측 각도가 회전곡선 재구성에 미치는 영향과 유추된 운동학적 성질의 강건성에 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• DDO 47과 DDO 87처럼 서서히 증가하는 회전곡선을 보이는 은하가 모델링 오류로 코어를 가진 것으로 잘못 분류될 수 있는지 검토하기 위해.

제안 방법

• 60 < V_{\text{max}}/\text{km s}^{-1} < 120 인 범위 내에서 APOSTLE $\text{ΛCDM}$ 천체역학적 시뮬레이션 프레임워크 내에서 은하를 시뮬레이션한다.
• 근처 은하의 간섭형 HI 데이터를 모방하는 합성 '관측'을 제작하며, 비드 스메어링과 노이즈 효과를 포함한다.
• 합성 데이터 큐브에서 회전곡선을 유도하기 위해 전통적인 기울인 고리 모델링 절차를 적용한다.
• 다른 시선 방향에서 유도된 회전곡선의 변동성을 분석하여 관측 기하학의 영향을 평가한다.
• 특히 $m=2$ (이중대칭) 성분을 포함한 푸리에 모드 분해를 통해 비원형 운동을 정량화한다.
• 유도된 회전곡선을 진짜 원형 속도 프로파일과 비교하여 비원형 운동이 유도하는 편향을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울인 고리 모델을 사용할 경우, HI 기체의 비원형 운동이 회전곡선 측정에 얼마나 체계적인 편향을 유도하는가?
• RQ2 유사한 내재 운동학적 성질을 가진 시뮬레이션 은하의 경우, 관측 각도가 유도된 회전곡선에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시뮬레이션된 은하에서 관측되는 서서히 증가하는 회전곡선이 모델링되지 않은 비원형 운동으로 인해 암흑물질 코어로 잘못 해석될 수 있는가?
• RQ4 모델 잔차에서 $m=2$ 이중대칭 속도 변동은 감지 가능하며, 이는 회전곡선 복원에 심각한 왜곡을 초래하는가?
• RQ5 실제 은하에서 관측된 '코어'들이 진정한 암흑물질 구조가 아니라 모델링의 한계로 인한 결과일 가능성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 기울인 고리 모델링은 비원형 운동이 존재함에 따라 동일한 은하에 대해 선단 각도에 따라 매우 변동성이 큰 회전곡선을 생성한다.
• 강한 $m=2$ 이중대칭 속도 변동은 기울인 고리 모델링이 고려하지 못하는 비원형 운동의 주요 원인이다.
• 이러한 모델링되지 않은 운동은 특히 서서히 증가하는 회전곡선을 보이는 은하의 내부 영역에서 원형 속도를 심각하게 과소평가한다.
• DDO 47과 DDO 87에서는 회전곡선에서 관측되는 '코어' 특징이 진짜 암흑물질 코어 형성보다는 운동학적 왜곡 때문일 가능성이 높다.
• 기울인 고리 피팅 잔차에서는 강한 $m=2$ 교란이 자주 드러나지 않아 시각적으로 감지하기 어려운 편이다.
• 표준 방법으로 유도된 회전곡선은 연구자들이 운동학적 오류를 $\text{ΛCDM}$ 예측에 반대되는 증거로 오해하게 만들 수 있다.