[논문 리뷰] Is Dark Matter in Spiral Galaxies Cold Gas? II. Fractal Models and Star Non-Formation

D. Pfenniger, F. Combes|arXiv (Cornell University)|1993. 11. 18.

Theoretical and Computational Physics참고 문헌 5인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 나선은하의 외부 디스크에서 암흑물질이 약 30 AU, 약 1 목성질량 크기의 미세한 중력결합 클러스터(클럽스큘) 형태로 존재하는 냉각되고 분할된 고리형 H₂ 기체로 구성되어 있다고 제안한다. 이 기체는 약 3 K의 온도에서 빈번한 충돌과 거의 열역학적 등온 조건으로 인해 항성 형성에 저항한다. 이러한 기체의 분할된 성질은 기존의 균일한 기체 구름 모델에서 질량을 크게 과소평가하게 하며, 이는 최대 10배 이상의 과소평가로 이어질 수 있다. 이는 암흑물질 문제를 해결하면서도 외부 디스크에서 항성 형성 잠재력을 유지할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Gas cloud models taking into account the recently disclosed fractal structure of cold gas are set up, showing that large errors in the classical gas mass determination based on smooth cloud models can easily follow if the gas is in reality fractal. Fractal clouds must present both optically thin and optically thick clumps in any single wavelength observations. The observed fractal dimension of the cold ISM suggests that mass underestimates by a factor 10 or more are typical. Due to its low temperature (around 3 K), and its condensed fractal structure, together with its low metallicity, the outer gas would be almost invisible for usual detectors. (A&A paper (in press) and figures available by anonymous ftp at obssd8.unige.ch in /pub/fractal as postscript file: dm_paper_II.ps (251k) and FIG*.ps, or papers I & II + figures as a compressed tar file dm_papers.Z.tar (2.1 Mb)).

연구 동기 및 목표

• 낮은 온도(약 3 K)와 높은 밀도 조건에서도 항성이나 목성 형성을 하지 않고도 냉각되고 제인 불안정한 기체가 외부 은하 디스크에 지속적으로 존재하는 이유를 설명하기 위해.
• 관측된 HI 질량과 추정된 암흑물질 질량 사이의 괴리를 해결하기 위해, 분할된 기체의 구조가 전통적인 질량 측정에서 큰 과소평가를 초래할 수 있음을 제안하기 위해.
• 냉각되고 자기보호된 H₂ 기체가 수십억 년 동안 안정적으로 유지되고 탐지되지 않을 수 있는 물리적 조건을 모델링하여 타당한 암흑물질 후보를 제시하기 위해.
• 냉각된 은하간 매질의 분할된 구조가 관측된 기체 열량 밀도 및 투과도의 범위를 자연스럽게 설명할 수 있는지, 그리고 이로 인해 질량 추정치에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 외부 은하 디스크의 냉각 기체의 비균일 분포를 모의하기 위해 계층적이고 자기유사적인 분할된 기체 덩어리의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 냉각된 기체가 약 30 AU 스케일까지 클럽스큘로 분할되는 것을 시뮬레이션하기 위해 바온 호erner 형식의 계층적 질량 분포를 사용한다.
• 분할된 모델에서의 투사된 열량 밀도와 투과도를 분석하여 균일한 모델 대비 표면 밀도 범위(최대 5개 이상의 수십제곱)를 정량화한다(균일 모델은 2개의 수십제곱).
• 클럽스큘의 열선 폭(~0.1 km s⁻¹)과 충돌 빈도를 계산하여 안정성과 붕괴에 대한 저항력을 평가한다.
• 핵형성 부위와 기화 에너지를 고려하여 클럽스큘 내에서 H₂의 형성 및 freezing 속도를 추정함으로써 고체 H₂ 형성 가능성을 평가한다.
• 은하의 자전 에너지가 계층적 구조로 지속적으로 전달된다고 가정할 때 에너지 전달 균형에서 임계 분할 차원 D ≈ 1.67을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 은하 디스크의 냉각되고 밀도가 높은 기체는 약 3 K의 온도와 제인 불안정성 상태임에도 불구하고 항성이나 목성을 형성하지 않고 안정적으로 유지되는 이유는 무엇인가요?
• RQ2 냉각된 은하간 매질의 분할된 구조가 전통적인 균일 기체 덩어리 모델에서 질량을 체계적으로 과소평가하게 되는 이유는 무엇인가요?
• RQ3 가장 작은 클럽스큘(~30 AU, ~1 MJ)에서 항성 형성이나 고체 H₂ 형성 방지에 기여하는 물리적 조건은 무엇이며, 어떻게 안정성을 유지할 수 있나요?
• RQ4 냉각된 기체에서 관측된 열량 밀도의 범위(최대 5개의 수십제곱)가 균일한 분포가 아니라 분할된 비균일성에 의해 설명될 수 있는가요?
• RQ5 클럽스큘 간 충돌과 거의 등온 조건이 에너지 소산을 억제하고 장기적 안정성을 유지하는 데 어떤 역할을 하나요?

주요 결과

• 냉각된 기체의 분할된 구조는 균일한 기체 덩어리 모델 대비 열량 밀도 범위를 최대 5개 이상의 수십제곱까지 확장시키며, 이는 기존 관측에서 질량 과소평가의 원인을 설명한다.
• 균일한 기체 덩어리 모델에 기반한 질량 추정치는 분할된 구조 내에서 작은 밀도가 높은 클럽스큘에서의 높은 투과도로 인해 실제 기체 질량을 10배 이상 과소평가할 수 있다.
• 반지름 약 30 AU, 질량 약 1 목성질량인 가장 작은 클럽스큘은 중력적으로 결합되어 있으며, 열선 폭 약 0.1 km s⁻¹를 가지며 빈번한 충돌로 인해 붕괴로부터 안정된다.
• 거의 등온 조건(~3 K)과 클럽스큘 내 높은 충돌 빈도는 에너지 소산을 억제하여 기체가 수십억 년 동안 항성 형성을 하지 않고도 안정적으로 유지될 수 있도록 한다.
• 은하 자전 에너지가 계층적 구조로 지속적으로 전달될 경우, 안정된 상태를 유지하기 위해 임계 분할 차원 D ≈ 1.67이 유도된다.
• 소량의 H₂는 클럽스큘 내에서 고체로 응결될 수 있으나, 이는-dust 핵형성 부위의 가용성에 크게 의존하며, 이는 아직 불확실하다.