[논문 리뷰] The Tully-Fisher Zero Point Problem

Aaron A. Dutton, Frank C. van den Bosch외 1명|ArXiv.org|2008. 01. 09.

Guidance and Control Systems참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 ΛCDM 디스크은하 모델에서 관측된 빛의 세기 대비 너무 빠르게 도는 문제인 Tully-Fisher의 영점 문제를 다루며, 일반적으로 모델에서 가정되는 헬름 수축을 피드백과 복사 에너지 및 운동량 교환을 통해 뒤집음으로써, 물리적으로 비합리적인 헬름 농도나 낮은 항성 질량-광도 비율을 요구하지 않고도 현실적인 회전 속도를 가능하게 한다.

ABSTRACT

A long standing problem for hierarchical disk galaxy formation models has been the simultaneous matching of the zero point of the Tully-Fisher relation and the galaxy luminosity function (LF). We illustrate this problem for a typical disk galaxy and discuss three solutions: low stellar mass-to-light ratios, low initial dark halo concentrations, and no halo contraction. We speculate that halo contraction may be reversed through a combination of mass ejection through feedback and angular momentum exchange brought about by dynamical friction between baryons and dark matter during the disk formation process.

연구 동기 및 목표

• 모의 디스크 은하가 관측된 빛의 세기 대비 너무 빠르게 도는 ΛCDM 모델의 오래된 모순을 해결하기 위해.
• 표준 모델이 디스크 형성 기간 동안 헬름 수축을 가정함으로써 회전 속도를 과도하게 예측하는 이유를 조사하기 위해.
• 피드백과 복사 에너지 및 운동량 교환을 통해 헬름 수축을 뒤집을 수 있는지 평가하기 위해.
• 다른 해결책들—낮은 M*/L, 낮은 헬름 농도, 또는 수축 없음—이 Tully-Fisher 관계와 은하 빛의 세기 함수를 동시에 만족시킬 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 관측된 척도 관계를 만족시키기 위해 V2.2 = 200 km s⁻¹로 고정된 NFW 어둠물질 헬름 내에 이상화된 지수 디스크 모델을 구성한다.
• WMAP 3년차 천체물리적 파rameters(σ₈ = 0.78, Ω₀ = 0.268, Λ = 0.732, Ωb = 0.045, h = 0.70)를 사용하여 헬름의 비탈질량과 농도를 결정한다.
• 헬름 수축 유무에 따라 회전곡선을 비교하여 V2.2/V200 비율과 관측 결과의 일치 여부를 평가한다.
• 세 가지 해결책을 평가: 감소된 항성 M*/L, 낮은 초기 헬름 농도, 헬름 수축 없음.
• 피드백(질량 방출)과 천체역학적 마찰(운동량 교환)을 통한 헬름 수축의 반전이 물리적으로 타당한지 분석한다.
• 디스크 형성 또는 바 형태의 진화 기간 동안 운동량 교환이 이루어지면, 바이어스된 물질의 농도를 초과하지 않으면서도 헬름의 확장을 유도할 수 있는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 ΛCDM 모델에서 디스크 은하의 회전 속도가 관측된 Tully-Fisher 관계의 영점 대비 왜 과도하게 예측되는가?
• RQ2 바이어스와 어둠물질 간의 피드백과 운동량 교환은 디스크 형성 기간 동안 헬름 수축의 영향을 뒤집을 수 있는가?
• RQ3 비물리적인 헬름 농도나 낮은 M*/L 비율을 요구하지 않고도 관측된 V2.2/V200 ≈ 1.1 비율을 시뮬레이션에서 달성할 수 있는가?
• RQ4 은하 빛의 세기 함수와 크기-빛의 세기 관계는 Tully-Fisher 영점 문제의 타당한 해결책에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 질량 방출과 천체역학적 마찰의 조합이 운동량 또는 질량 예산 제약을 위반하지 않으면서도 순수하게 헬름의 확장을 이끌 수 있는가?

주요 결과

• 헬름 수축을 가정하는 표준 모델은 V2.2/V200 ≈ 1.8을 예측하며, 관측된 약 1.1보다 크게 초과한다.
• 항성 질량-광도 비율을 0.2 dex 감소시키는 것은 모순을 해결하는 데 부족하며, 관측적 근거도 없다.
• 낮은 초기 헬름 농도로 V2.2/V200 ≈ 1.1을 달성하려면 c ≈ 3이 필요하지만, 이는 WMAP 3년차 천체물리적 제약과 일치하지 않는다.
• 헬름 수축을 끄면 V2.2/V200 ≈ 1.1을 얻을 수 있으며, 현실적인 헬름 질량과 타당한 스핀 파라미터를 갖는 일관된 모델이 된다.
• 피드백과 천체역학적 마찰을 통한 운동량 교환은 바이어스가 충분한 운동량을 잃고 질량이 방출될 경우 헬름 수축을 뒤집을 수 있다.
• 피드백이 낮은 운동량을 가진 물질을 방출하고 운동량 전달이 헬름을 확장시켜 수축을 상쇄시키면, 헬름 수축의 반전은 물리적으로 타당하다.