[논문 리뷰] Schwarzschild modelling of elliptical galaxies and their black holes

Jens Thomas|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 19개의 코마 성간단절기 초기형은하에 슈바르츠실트 궤도-초합 방법을 적용하여, 이들의 암흑물질 허브는 유사한 항성 질량을 가진 나선은하보다 13배 더 조밀하다는 것을 밝혀냈다. 결과적으로 타원은하는 약 $ z_{\text{form}} \approx 2-3 $에서 형성되었으며, 나선은하보다 약 두 배 더 이르게 형성된 것으로 나타났고, 허브보다 어린 별을 가진 은하는 소산적 궤도적 구조를 보이며, 주 허브 형성 이후에 2차 별 형성이 있었을 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

This article describes the Schwarzschild orbit superposition method. It is the state-of-the-art dynamical modelling tool for early-type galaxies. Tests with analytic models show that masses and orbital anisotropies of not too face-on galaxies can be recovered with about 15 percent accuracy from typical observational data. Applying Schwarzschild models to a sample of Coma galaxies their dark matter halos were found to be 13 times denser than those of spirals with the same stellar mass. Since denser halos assembled earlier, this result indicates that the formation redshift 1+z of ellipticals is about two times higher than of spirals. Roughly half of the sample galaxies have halo assembly redshifts in agreement with their stellar-population ages. Galaxies where stars appear younger than the halos show strong phase-space density gradients in their orbital structure, indicative for dissipational evolution and possibly connected with secondary star-formation after the main halo assembly epoch. The importance of considering dark-matter in dynamical models aimed to measure black-hole masses is briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 역학적 모델링을 통해 초기형은하의 암흑물질 함량과 궤도적 구조를 측정하기 위해.
• 암흑물질 허브 밀도를 항성 인구 연령과 비교하여 타원은하의 형성 적색편이를 결정하기 위해.
• 초기형은하의 중심부에서 블랙홀 질량 측정에 암흑물질이 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 궤도 분포의 위상공간 밀도 기울기들이 소산적과 충돌 없는 형성 역사를 구별하는 데 얼마나 기여하는지 조사하기 위해.
• 일반적인 관측 데이터에서 질량과 비대칭성을 복원하는 데 있어 슈바르츠실트 모델링의 신뢰성을 시험하기 위해.

제안 방법

• 슈바르츠실트 궤도-초합 방법은 주어진 중력장에서 개별 궤도를 초합하여 위상공간 분포함수를 구성한다.
• 시험 축대칭 잠재력 내에서 수천 개의 궤도가 계산되며, 각 궤도의 빛과 운동학적 성질이 저장된다.
• 최종 모델은 관측된 표면 밝기와 선속도 분포를 일치시키기 위해 가중치를 적용한 궤도의 선형 조합이다.
• 궤도는 등위면에 대한 기하학적 특성에 따라 구형($ |\vartheta|_{\text{max}} > 70^\circ $) 또는 디스크 유사($ |z|_{\text{max}} < r_{\text{eff}}/4 $)로 분류된다.
• 각 궤도의 위상공간 밀도를 계산하고, 은하 간에 비교하여 궤도적 구조와 역학적 역사를 추론한다.
• 모델 피팅 중 중력장에 암흑물질을 포함시켜 질량-광도 비율 추정치의 정확성을 확보함으로써 암흑물질의 영향을 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기형은하의 형성 적색편이는 무엇이며, 나선은하와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 타원은하의 별 궤도적 구조는 2차 별 형성과 같은 소산적 진화의 증거를 드러내는가?
• RQ3 암흑물질를 무시할 경우 슈바르츠실트 방법이 블랙홀 질량과 역학적 질량을 얼마나 정확하게 복원할 수 있는가?
• RQ4 유사한 항성 질량을 가진 나선은하에 비해 타원은하의 암흑물질 허브가 얼마나 초과하는가?
• RQ5 초기형은하에서 항성 인구의 연령과 암흑물질 허브의 구축 적색편이 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 일반적인 관측 데이터를 사용할 때, 얼굴이 너무 측면을 햖을 경우가 아닌 경우, 슈바르츠실트 방법은 약 15%의 정확도로 질량과 궤도 비대칭성을 복원한다.
• 코마의 타원은하에서의 암흑물질 허브는 유사한 항성 질량을 가진 나선은하보다 13배 더 조밀하다. 이는 더 이른 형성 시기를 시사한다.
• 타원은하의 형성 적색편이는 약 $ z_{\text{form}} \approx 2-3 $로 추정되며, 나선은하의 약 $ z_{\text{form}} \approx 1 $보다 약 두 배 더 이른다.
• 샘플의 약 절반에서 허브 구축 적색편이가 항성 인구 연령과 일치하여 일치하는 형성 시기임을 시사한다.
• 허브보다 어린 별을 가진 은하는 거의 원형 궤도에서 강한 위상공간 밀도 기울기를 보이며, 이는 소산적 진화와 2차 별 형성의 가능성을 시사한다.
• 블랙홀 질량 모델에서 암흑물질를 무시할 경우 항성 질량-광도 비율이 과대평가되고, 그로 인해 블랙홀 질량이 과소평가될 수 있다. 이 효과는 대규모 은하에서 가장 뚜렷하다.