[논문 리뷰] The globular cluster system of NGC 1316 - III. Kinematic complexity

T. Richtler, M. Hilker외 4명|El Servicio de Difusión de la Creación Intelectual (National University of La Plata)|2014. 06. 11.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 56인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 VLT/FORS2 다중 목적 분광법을 사용하여 NGC 1316의 177개의 구형성운에 대한 도전 속도를 제시하며, 단순한 천체역학 모델과 부합하지 않는 운동학적 복잡성을 드러낸다. 남서부 지역에 1600 km/s의 두드러진 속도 피크가 관측되어 디스크 형태의 부구조를 시사하며, 중심부의 높은 암흑물질 밀도(~0.2 M⊙/pc³)는 기대되는 나선형 원형 성운의 형태와 충돌하여 표준 ΛCDM 이론에 도전하지만, MOND 예측과는 일치한다.

ABSTRACT

Context. The merger remnant NGC 1316 (Fornax A) is one of the most important objects regarding the investigation of and thus an important object to study merger-related processes. A recent photometric study used globular clusters in NGC 1316 to constrain its star formation history, but without the knowledge of individual radial velocities. The kinematical properties of the globular cluster system in comparison with the diffuse stellar light might give more insight into the formation of NGC 1316. Of particular interest is the dark matter content. Planetary nebulae in NGC 1316 indicate a massive dark halo, and globular cluster velocities provide independent evidence. Aims. We aim at measuring radial velocities of globular clusters in NGC 1316. We use these kinematical data to investigate the global structure of NGC 1316 and to constrain the dark matter content.Methods. We perform multiobject spectroscopy with VLT/FORS2 and MXU. Out of 562 slits, we extract radial velocities for 177 globular clusters. Moreover, we measure radial velocities of the integrated galaxy light, using slits with a sufficiently bright sky. To these data, we add 20 cluster velocities from the literature. In an appendix, we identify new morphological features of NGC 1316 and its companion galaxy NGC 1317. Results. The GC sample based on radial velocities confirms the colour peaks already found in our photometric study. The bright clusters, which probably have their origin in a 2 Gyr old starburst and younger star formation events, avoid the systemic velocity. A Gaussian velocity distribution is found only for clusters fainter than about m R = 22 mag. The velocity distribution of clusters shows a pronounced peak at 1600 km s-1 . These clusters populate a wide area in the south-western region which we suspect to be a disk population. Globular clusters or subsamples of them do not show a clear rotation signal. This is different from the galaxy light, where rotation along the major axis is discernable out to 3′ radius. The kinematic major axis of NGC 1316 is misaligned by about 10° with the photometric major axis, which might indicate a triaxial symmetry. A simple spherical model like that suggested by dynamical analyses of planetary nebulae also reproduces the velocity dispersions of the faint globular clusters. Conclusions. The central dark matter density of the present model resembles a giant elliptical galaxy. This contradicts population properties which indicate spiral galaxies as pre-merger components. Modified Newtonian dynamics (MOND) would provide a solution, but the kinematical complexity of NGC 1316 does not allow a really firm conclusion. However, NGC 1316 might anyway be a problem for a cold dark matter scenario, if the high dark matter density in the inner region is confirmed in future studies.

연구 동기 및 목표

• NGC 1316의 구형성운에 대한 도전 속도를 측정하여 그 운동학적 구조와 암흑물질 함량을 탐구한다.
• 구형성운 시스템이 단순한 천체역학 모델과 부합하지 않는 복잡한 충돌 이력을 반영하고 있는지 조사한다.
• 관측된 속도 분산과 운동학과의 일치 여부를 검토하여 구형 암흑물질 홀로 모델의 타당성을 시험한다.
• 중심부의 높은 암흑물질 밀도가 ΛCDM 철학에 미치는 함의와 MOND와 같은 대체 중력 이론과의 관계를 평가한다.
• 구형성운의 운동학을 흩어진 별 빛과 비교하여 축의 불일치와 구조적 부구조를 식별한다.

제안 방법

• VLT/FORS2와 MXU를 사용한 다중 목적 분광법으로 넓은 시야에서 177개의 구형성운에 대한 도전 속도를 확보한다.
• 반경 4′ 이내 68개 지점에서 은하 전체 빛의 도전 속도 측정을 통해 구형성운의 운동학과 비교한다.
• Goudfrooij 등 (2001b)이 이전에 발표한 20개의 도전 속도 데이터를 새로운 도전 속도 데이터와 융합하여 표본 크기를 증가시킨다.
• Paper I의 광학적 구조를 기반으로 한 구형 천체역학 모델을 적용하여 관측된 속도 분산을 맞춘다.
• 로그형 암흑물질 홀로 프로파일을 사용하여 운동학을 모델링하고, 관측된 속도 분산과 일치하도록 매개변수를 조정한다.
• 운동학 결과를 행 星 난방성운 데이터 및 이론 모델과 비교하여 ΛCDM와 MOND에 대한 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1316의 구형성운 시스템은 복잡한 충돌 이력을 시사하는 운동학적 부구조를 보여주는가?
• RQ2 구형성운의 공간적 및 운동학적 분포는 특히 은하의 광학적 주축과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 구형 암흑물질 홀로 모델이 관측된 구형성운 시스템의 속도 분산을 재현할 수 있는가?
• RQ4 왜 NGC 1316의 중심부 암흑물질 밀도는 그 기원이 나선형 성운일 것이라는 기대와는 다르게 높게 나타나는가?
• RQ5 높은 암흑물질 밀도와 속도 분산 경향을 고려할 때, 운동학 결과는 ΛCDM와 MOND 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 구형성운 시스템은 C-R = 1.4(2 Gyr 별 폭발)와 C-R = 1.1(0.8 Gyr 별 폭발)에 피크를 가진 이중 피크 색상 분포를 보이며, 최근의 별 형성 사건을 확인한다.
• 밝은 구형성운(MR ≈ -10 mag)은 시스템의 평균 속도를 피하고 있어, 파손되거나 확장된 별 구조의 일부일 수 있음을 시사한다.
• 남서부 지역에 1600 km/s의 강력한 속도 피크가 관측되며, 이는 더 흐린 성운과 연관되어 있어 디스크 형태의 부구조일 가능성이 있으며, 소형 은하의 L1 잔여물과 관련이 있을 수 있다.
• 속도 분산은 성운의 밝기가 감소함에 따라 증가하며, 더 흐린 성운(MR > 22 mag)에서는 약 ~200 km/s에 도달하여 질량 분리 또는 천체역학적 진화 효과를 시사한다.
• 은하 빛은 광학적 주축을 따라 반경 3′까지 명확한 회전(진폭 ~130 km/s)을 보이지만, 구형성운 시스템에는 이러한 신호는 관측되지 않는다.
• r₀ = 5 kpc 및 v₀ = 320 km/s를 가진 구형 암흑물질 홀로는 관측된 운동학을 재현하며, 중심 암흑물질 밀도는 약 ~0.2 M⊙/pc³로, 거대 타원은하에서 일반적인 수준이지만 기대되는 나선형 원형 성운 형태와는 부합하지 않는다.