[논문 리뷰] Comparison of Modeling SPARC spiral galaxies' rotation curves: halo models vs MOND

Lin Wang, Daming Chen|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 49인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 SPARC 데이터베이스에서 추출한 45개의 고표면광도, 비버러지 않은 나선은하의 회전곡선에 대해 다크 물질 허브 모델(NFW 및 버커트)과 MOND를 비교한다. 버커트 코어가 있는 허브 모델이 가장 좋은 맞춤($\chi^2 = 0.33$)을 보이며, NFW($\chi^2 = 0.45$)와 MOND($\chi^2 = 0.58$)를 뛰어넘고, $\rho_0$와 $r_0$ 사이의 상관관계를 드러낸다. 외곽치를 제외한 경우 MOND는 평균 $a_0 = (0.74 \pm 0.45) \times 10^{-8}\ \text{cm\ s}^{-2}$를 도출하여 $a_0$가 보편적이지 않을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate a sub-sample of the rotation curves consisting of 45 HSB non-bulgy spiral galaxies selected from SPARC (Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves) database by using two dark halo models (NFW and Burkert) and MOdified Newtonian Dynamics (MOND) theory. Among these three models, the core-dominated Burkert halo model provides a better description of the observed data ($\chi_{ u}^2$ = 0.33) than Navarro, Frenk and White (NFW, $\chi_{ u}^2$= 0.45) and MOND model ($\chi_{ u}^2$ = 0.58). So our results show that, for dark halo models, the selected 45 HSB non-bulgy spiral galaxies prefer a cored density profile to the cuspy one (NFW); We also positively find that there is a correlation between $ ho_0$ and $r_0$ in Burkert model. For MOND fits, when we take $a_0$ as a free parameter, there is no obvious correlation between $a_0$ and disk central surface brightness at 3.6 $\mu m$ of these HSB spiral galaxies, which is in line with the basic assumption of MOND that $a_0$ should be a universal constant. Interestingly, our fittings gives $a_0$ an average value of $(0.74 \pm 0.45) imes 10^{- 8} m {cm\ s^{- 2}}$ if we exclude the three highest values in the sample, which is smaller than the standard value ($1.21 imes 10^{-8} m {cm\ s^{- 2}}$).

연구 동기 및 목표

• 고표면광도, 비버러지 않은 나선은하의 관측된 회전곡선에 대한 다크 물질 허브 모델(NFW 및 버커트)과 MOND의 성능 평가.
• 이러한 고표면광도, 비버러지 않은 나선은하의 운동학을 더 잘 기술하는 코어가 있는(버커트)지, 뾰족한(내프) 다크 물질 프로파일이 더 적합한지 확인.
• 3.6 $\mu$m에서 디스크의 중심 표면광도와의 상관관계를 분석하여 MOND 가속도 상수 $a_0$의 보편성 테스트.
• 특히 $\rho_0$와 $r_0$ 사이의 잠재적 상관관계를 버커트 허브 모델의 구조적 파라미터 간에 조사.

제안 방법

• SPARC 데이터베이스의 45개의 HSB 비버러지 나선은하의 회전곡선을 NFW, 버커트, MOND 모델을 사용해 맞춤.
• 모델의 적합도를 정량화하기 위해 $\chi^2$ 통계량을 적용하며, 낮은 $\chi^2$ 값일수록 관측치와의 일치도가 높음을 의미.
• 파라미터 $\rho_0$ (중심 밀도)와 $r_0$ (코어 반경)를 가진 버커트 허브 모델을 사용해 이들 파라미터 간의 상관관계 평가.
• 디스크 특성, 특히 3.6 $\mu$m에서의 중심 표면광도와의 관계를 고려해 MOND 피팅에서 $a_0$를 자유 매개변수로 간주.
• 신뢰도를 평가하기 위해 $a_0$ 값이 가장 높은 세 개의 은하를 제외하고 평균 $a_0$ 추정치를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 버커트 코어가 있는 다크 물질 허브 모델이 NFW 뾰족한 허브 모델보다 고표면광도 비버러지 나선은하의 회전곡선에 더 좋은 맞춤을 제공하는가?
• RQ2 이 은하들에 대해 버커트 허브 모델에서 중심 밀도 $\rho_0$와 코어 반경 $r_0$ 사이에 유의미한 상관관계가 있는가?
• RQ3 MOND 가속도 상수 $a_0$가 3.6 $\mu$m에서 디스크의 중심 표면광도와 상관관계가 있는가? 이는 $a_0$가 보편적일 경우 기대되는 바이다.
• RQ4 외곽치를 제외한 MOND 피팅에서 $a_0$의 평균 값은 얼마이며, 표준 값과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 버커트 허브 모델이 관측된 회전곡선에 대해 가장 좋은 맞춤을 보이며, $\chi^2 = 0.33$를 기록하여 NFW 모델($\chi^2 = 0.45$)과 MOND($\chi^2 = 0.58$)를 뛰어넘는다.
• 이 샘플 은하들에 대해 버커트 허브 모델에서 중심 밀도 $\rho_0$와 코어 반경 $r_0$ 사이에 유의미한 상관관계가 발견된다.
• MOND 피팅에서 $a_0$를 자유 매개변수로 간주한 결과, $a_0$와 3.6 $\mu$m에서의 디스크 중심 표면광도 사이에 명백한 상관관계가 없었으며, 이는 MOND의 보편적 $a_0$ 가정을 지지한다.
• 세 개의 높은 $a_0$ 값을 제외한 후 평균 $a_0$는 $(0.74 \pm 0.45) \times 10^{-8}\ \text{cm\ s}^{-2}$로 측정되었으며, 표준 값 $1.21 \times 10^{-8}\ \text{cm\ s}^{-2}$보다 낮다.
• 결과적으로 코어가 있는 다크 물질 허브(버커트) 모델이 뾰족한 NFW 프로파일보다 이러한 고표면광도 비버러지 나선은하의 운동학과 더 일치함을 시사한다.