[논문 리뷰] The dark halo of the Hydra I galaxy cluster: core, cusp, cosmological? Dynamics of NGC 3311 and its globular cluster system

T. Richtler, R. Salinas외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 50인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 히드라 I 은하단의 중심 cD 은하 NGC 3311에서 118개의 고구리 클러스터의 단면 속도와 VLT 분광법에서 구한 항성 운동학을 사용하여 어둠의 물질 허브 프로파일을 조사한다. 결과적으로, 날카롭게 뾰족한 NFW 프로파일보다 핵이 있는 어둠의 물질 허브(Burkert 프로파일)가 항성과 고구리 클러스터의 관측된 속도 분산을 더 잘 재현함을 보여주며, 이는 핵이 선호됨을 시사하지만, 뾰족한 형태를 완전히 배제할 수는 없다.

ABSTRACT

NGC 3311 is the central cD galaxy of the Hydra I cluster. We use globular clusters around NGC 3311, combined with kinematical data of the galaxy itself, to investigate the dark matter distribution in the central region of Hydra I. Radial velocities of 118 bright globular clusters, based on VLT/VIMOS mask spectroscopy, are used to calculate velocity dispersions which are well defined out to 100 kpc. NGC 3311 is the most distant galaxy for which this kind of study has been performed. We also determine velocity dispersions of the stellar component from long slit spectroscopy out to 20 kpc. Moreover, we present a new photometric model for NGC 3311 in the V-band. We search for a dark halo which in the context of a spherical Jeans model. We also compare the radial velocity distributions of globular clusters and planetary nebulae. The projected stellar velocity dispersion rises from 185 km/s to 350 km/s at a radius of 20 kpc. The globular cluster dispersion rises as well from 500 km/s at 10 kpc to about 800 km/s at 100 kpc, comparable to the velocity dispersion of the cluster galaxies. A dark matter halo with a core reproduces well the velocity dispersions of stars and globular clusters simultaneously under isotropy. The central stellar velocity dispersions predicted by cosmological NFW halos are less good representations, while the globular clusters allow a wide range of halo parameters. A suspected radial anisotropy of the stellar population aggravates the deviations. However, we find discrepancies with previous kinematical data, which we cannot resolve and may indicate a more complicated velocity pattern. Although one cannot conclusively demonstrate that the dark matter halo of NGC 3311 has a core rather than a cusp, a core seems to be preferred by the present data. A more complete velocity field and an analysis of the anisotropy is required to reach firm conclusions.

연구 동기 및 목표

• 히드라 I 은하단의 중심 영역, 특히 저표면 밝기의 cD 은하인 NGC 3311에서 어둠의 물질 허브 프로파일을 규명하는 것.
• NGC 3311에서 관측된 항성과 고구리 클러스터의 운동학이 핵이 있는지, 날카로운지의 어둠의 물질 허브에 의해 더 잘 설명되는지 테스트하는 것.
• 속도 이방성의 영향을 허브 모델링에 미치는 영향과 극단적인 반경 방향 속도 이격점들이 허브 질량 모델과 일관되는지 평가하는 것.
• 특히 농도-질량 관계를 고려할 때, 천체역학적 NFW 허브가 관측된 운동학을 얼마나 잘 재현하는지 평가하는 것.
• 다중 트레이서 접근법을 통해 거대 은하단에서 내부 어둠의 물질 분포에 대한 천체역학적 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• VLT/VIMOS 마스크 분광법을 사용하여 118개의 밝은 고구리 클러스터의 단면 속도를 측정하여 100 kpc까지의 속도 분산 프로파일을 유도한다.
• VLT/FORS1를 사용한 장선 분광법을 통해 NGC 3311의 항성 속도 분산을 20 kpc까지 측정한다.
• 깊은 VLT/FORS1 V-대역 이미지를 사용하여 NGC 3311의 새로운 광학 모델을 구축하여 항성 빛 분포를 정의한다.
• 천체역학적 평형과 구형 대칭을 가정하여, 항성과 고구리 클러스터의 속도 분산 프로파일을 동시에 피팅하기 위해 구형 제인 모델을 적용한다.
• 모델링 프레임워크 내에서 반경 방향과 탄성 방향의 이방성 프로파일을 시험하여 속도 이방성의 영향을 탐색한다.
• 궤도 통합을 사용하여 극단적인 반경 방향 속도 이격점(예: 약 2700 km/s)이 거대한 허브 내에서 매우 반경 방향 궤도를 따라 운행하는 데 타당한지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 3311에서 항성과 고구리 클러스터의 운동학 데이터는 핵이 있는지, 날카로운지의 어둠의 물질 허브를 어떻게 지지하는가?
• RQ2 속도 이방성이 관측된 속도 분산과 허브 모델의 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고구리 클러스터 시스템에서의 극단적인 반경 방향 속도 이격점은 현실적인 어둠의 물질 허브 내 궤도와 일치하는가?
• RQ4 모의 시뮬레이션에서의 농도-질량 관계를 고려할 때, 천체역학적 NFW 허브가 관측된 운동학을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 등방성 조건 하에서 날카로운 허브가 작은 반경에서 관측된 항성 속도 분산의 상승을 설명할 수 있는가, 아니면 핵이 반드시 필요한가?

주요 결과

• 항성 속도 분산은 중심에서 약 185 km/s에서 20 kpc에서 350 km/s로 증가하여 뚜렷한 질량 집중을 나타낸다.
• 고구리 클러스터의 속도 분산은 10 kpc에서 약 500 km/s에서 100 kpc에서 약 800 km/s로 증가하며, 은하단 은하의 분산과 일치한다.
• 등방성 조건 하에서 Burkert(핵이 있는) 허브 모델이 항성과 고구리 클러스터의 속도 분산 프로파일 양쪽 모두에 잘 맞는다.
• 농도-질량 관계를 고려하더라도, 날카로운 NFW 허브 모델은 작은 반경에서 항성 속도 분산의 매끄러운 상승을 재현하지 못한다.
• 반경 이방성은 NFW 모델과 관측 결과 사이의 괴리를 악화시키지만, 탄성 이방성은 피팅을 향상시킬 수는 있으나 관측적 근거가 부족하다.
• 극단적인 반경 방향 속도 이격점(예: 약 2700 km/s)은 거대한 허브 내에서 매우 반경 방향 궤도를 따라 운행하는 데 일관되지만, 그 기원은 은하단 내 개체를 포함할 수 있다.