[논문 리뷰] The DiskMass Survey. VII. The distribution of luminous and dark matter in spiral galaxies

Thomas P. K. Martinsson, Marc Verheijen외 4명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2013. 08. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 92인용 수 101

한 줄 요약

이 연구는 운동학적 자료와 은하수 별 속도 분산을 이용해 30개의 나선은하에 대해 동적으로 제약된 질량 분해를 수행하여 절대적인 별성 질량 표면 밀도를 유도한다. 그 결과 모든 은하는 최대질량가설을 따르지 않으며, 평균 별성 질량-광도 비율은 $\overline{\Upsilon_{\ast}} = 0.31 \pm 0.07$로 나타났다. 암흑물질 허브는 가장 잘 맞는 프로파일로 가짜 등온 프로파일(pseudo-isothermal)을 보이며, 간섭이 적은 경우 $\Lambda$CDM 시뮬레이션과 일치한다. 이는 최대질량가설에 도전한다.

ABSTRACT

We present dynamically-determined rotation-curve mass decompositions of 30 spiral galaxies, which were carried out to test the maximum-disk hypothesis and to quantify properties of their dark-matter (DM) halos. We used measured vertical velocity dispersions of the disk stars to calculate dynamical mass surface densities. Together with our atomic and molecular gas mass surface densities, we derived the stellar mass surface densities, and thus have absolute measurements of all dominant baryonic components. Using K-band surface brightness profiles, we calculated the K-band mass-to-light ratio of the stellar disks (M/L). Our result is consistent with all galaxies in the sample having equal M/L, with a sample average and scatter of =0.31+/-0.07. Rotation-curves of the baryonic components were calculated from their mass surface densities, and used with circular-speed measurements to derive the structural parameters of the DM halos, modeled as either a pseudo-isothermal sphere (pISO) or an NFW halo. All galaxies in our sample are submaximal, such that at 2.2 disk scale lengths (hR) the ratios between the baryonic and total rotation-curves (Fb^{2.2hR}) are less than 0.75. We find this ratio to be nearly constant between 1-6 hR within individual galaxies. We find a sample average and scatter of =0.57+/-0.07, with trends of larger Fb^{2.2hR} for more luminous and higher-surface-brightness galaxies. To enforce these being maximal, we need to scale M/L by a factor 3.6 on average. The DM rotation curves are marginally better fit by a pISO than by an NFW halo. For the nominal-M/L (submaximal) case, the derived NFW-halo parameters have values consistent with LCDM N-body simulations, suggesting that the baryonic matter has only had a minor effect on the DM distribution. In contrast, maximum-M/L decompositions yield halo concentrations that are too low compared to the LCDM simulations.

연구 동기 및 목표

• 직접적인 역학적 질량 측정을 통해 나선은하에서 최대질량가설을 검증하기 위해.
• 절대적인 보편 질량 제약 조건을 적용해 회전곡선을 분해함으로써 빛나는 물질과 암흑물질의 분포를 정량화하기 위해.
• 유도된 암흑물질 허브 매개변수의 $\Lambda$CDM 시뮬레이션과의 일관성을 평가하기 위해.
• 운동학으로 유도된 별성 질량-광도 비율이 나선은하 샘플 전반에서 일관된지 확인하기 위해.
• 보편 물질이 암흑물질 허브의 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 수직 속도 분산을 측정하여 역학적 질량 표면 밀도($\Sigma_{\rm dyn}$)를 계산한다.
• $\Sigma_{\rm dyn}$에서 관측된 원자성 가스 및 추정된 분자 가스 질량 표면 밀도를 빼어 별성 질량 표면 밀도($\Sigma_{\rm \ast}$)를 유도한다.
• $K$-대역 표면 빛나는 밝기 프로파일을 사용해 $K$-대역 질량-광도 비율($\Upsilon_{\ast}$)을 계산하고, 반경 방향 평균 값($\overline{\Upsilon_{\ast}}$)을 운동학적 한계를 초월해 외삽한다.
• 가짜 등온 프로파일(pISO)과 나바르-프랭크-화이트(NFW) 프로파일을 모두 사용해 암흑물질 허브를 모델링하여 회전곡선에 대한 적합도를 비교한다.
• 최대질량가설 하에서의 보조 분해를 수행해 역학적으로 유도된 $\Upsilon_{\ast}$와 비교한다.
• 원형 속도 측정 및 보편 물질 성분의 회전곡선을 탈도형 질량 표면 밀도에서 유도하여 모델 적합도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DiskMass Survey에 속한 나선은하는 최대질량가설을 따르는가, 아니면 서브맥시멀인가?
• RQ2 샘플 전반에서 평균 별성 질량-광도 비율($\overline{\Upsilon_{\ast}}$)은 얼마이며, 각 은하 간 일관성이 있는가?
• RQ3 암흑물질 허브의 구조적 매개변수(pISO 대비 NFW)는 $\Lambda$CDM 시뮬레이션의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 개별 은하 내에서 보편 물질 대 총 회전곡선 비율($\mathcal{F}_{\rm b}$)의 반경 방향 행동은 어떠한가?
• RQ5 $\Lambda$CDM 시뮬레이션에서 제안한 바와 같이 보편 물질 성분이 암흑물질 허브 프로파일을 상당히 변화시키는가?

주요 결과

• 샘플의 30개 은하 모두가 서브맥시멀이며, 2.2배 디스크 스케일 길이에서 평균 $\mathcal{F}_{\rm b}^{2.2h_{\rm R}} = 0.57 \pm 0.07$이다.
• 평균 별성 질량-광도 비율은 $\overline{\Upsilon_{\ast}} = 0.31 \pm 0.07$이며, 샘플 전반에서 유의미한 변동이 없다.
• 암흑물질 허브의 회전곡선은 NFW 프로파일에 비해 약간 더 잘 맞는 가짜 등온 구형(pseudo-isothermal sphere, pISO)에 의해 설명된다.
• 기본 $\Upsilon_{\ast}$ (서브맥시멀) 경우, NFW 허브 매개변수는 $\Lambda$CDM 시뮬레이션과 일치하며, 허브의 구조에 대한 보편 물질의 영향이 최소임을 시사한다.
• 최대질량가설 하에서 유도된 허브 농도 매개변수는 $\Lambda$CDM 예측보다 너무 낮으며, 평균적으로 $\Upsilon_{\ast}$ 스케일링 인자가 3.6가 필요하다.
• 보편 물질 대 총 회전곡선 비율 $\mathcal{F}_{\rm b}$는 1–6 $h_{\rm R}$ 사이에서 거의 일정하며, 은하별로 0.4에서 0.7의 범위를 가지며, 감소하는 별성 디스크와 증가하는 H I 기여로 인해 결정된다.