[논문 리뷰] Visible and dark matter in M 31 - II. A dynamical model and dark matter density distribution

Elmo Tempel, A. Tamm외 1명|ArXiv.org|2007. 07. 30.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 M31의 광학적 및 화학적 진화 데이터를 이용해 역학적 모델을 구축하여 암흑물질(DM) 밀도 분포를 유도한다. 예측된 별의 회전운동과 속도 분산을 관측과 비교함으로써, NFW 및 Einasto DM 프로파일이 데이터에 가장 잘 맞는 것으로 나타났으며, 총 M31 질량은 1.19–1.28×10¹² M☉이고 암흑물질 대가시질량 비율은 10.0–10.8로 나타나, 잘 관측된 디스크은하에서 ΛCDM 예측을 지지한다.

ABSTRACT

In the present paper we derive the density distribution of dark matter (DM) in a well-observed nearby disc galaxy, the Andromeda galaxy. From photometrical and chemical evolution models constructed in the first part of the study (Tamm, Tempel & Tenjes 2007 (arXiv:0707.4375), hereafter Paper I) we can calculate the mass distribution of visible components (the bulge, the disc, the stellar halo, the outer diffuse stellar halo). In the dynamical model we calculate stellar rotation velocities along the major axis and velocity dispersions along the major, minor and intermediate axes of the galaxy assuming triaxial velocity dispersion ellipsoid. Comparing the calculated values with the collected observational data, we find the amount of DM, which must be added to reach an agreement with the observed rotation and dispersion data. We conclude that within the uncertainties, the DM distributions by Moore, Burkert, Navarro, Frenk & White (NFW) and the Einasto fit with observations nearly at all distances. The NFW and Einasto density distributions give the best fit with observations. The total mass of M 31 with the NFW DM distribution is 1.19*10^12 M_sun, the ratio of the DM mass to the visible mass is 10.0. For the Einasto DM distribution, these values are 1.28*10^12 M_sun and 10.8. The ratio of the DM mass to the visible mass inside the Holmberg radius is 1.75 for the NFW and the Einasto distributions. For different cuspy DM distributions, the virial mass is in a range 6.9-7.9*10^11 M_sun and the virial radius is ~150 kpc. The DM mean densities inside 10 pc for cusped models are 33 and 16 M_sun pc^-3 for the NFW and the Einasto profiles, respectively. For the cored Burkert profile, this value is 0.06 M_sun pc^-3.

연구 동기 및 목표

• 일致된 역학적 모델을 이용해 M31의 암흑물질 밀도 분포를 도출하기.
• 다양한 암흑물질 프로파일에 의한 예측과 관측된 운동학(회전곡선 및 속도 분산) 간의 일치 정도를 시험하기.
• 광학적 및 분광적 데이터를 이용해 가시성 성분의 질량-광도 비율을 제약하기.
• 근접하고 잘 연구된 디스크은하에서 ΛCDM 예측과 관측 결과의 호환성을 평가하기.
• 다양한 DM 프로파일(NFW, Einasto, Burkert, Moore)이 총 질량 및 중심 밀도 추정치에 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• U, B, V, R, I, L 필터에서의 다중 대역 표면 밝기 프로파일을 이용해 M31의 별 성분(핵, 디스크, 허브르)의 광학 모델을 구축하기.
• 측정된 금속성 비율을 이용한 화학적 진화 모델을 적용하여 각 은하 성분의 연령과 질량-광도(M/L) 비율을 유도하기.
• 삼축 역학 모델을 적용하여 주축, 보조축, 중간축을 따라 예측된 별의 회전 속도와 속도 분산을 계산하기.
• 별과 행 星상성 성운에서의 관측된 회전곡선 및 속도 분산 프로파일과 모델 예측을 비교하기.
• 모델과 관측 간 잔차를 최소화하기 위해 암흑물질 분포를 조정하며, NFW, Einasto, Burkert, Moore 프로파일을 시험하기.
• 구형별개구리, 위성, 은하계 M31–우주선의 운동학적 제약 조건을 이용해 대규모 질량 추정치의 타당성을 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NFW, Einasto, Burkert, 또는 Moore 중 어떤 암흑물질 밀도 프로파일이 M31의 모든 반경에서 관측된 운동학을 가장 잘 재현하는가?
• RQ2 회전곡선과 속도 분산을 모두 고려할 때, M31의 총 질량은 얼마이며, 그 중 암흑물질은 어느 정도 비율을 차지하는가?
• RQ3 M31의 중심 암흑물질 밀도는 다른 은하들과 비교해 어떻게 되며, ΛCDM 예측과 일치하는가?
• RQ4 화학적 진화 모델을 통해 유도된 가시성 성분의 M/L 비율은 추정된 암흑물질 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 M33과 IC 10의 운동학적 데이터로부터 유도된 하한값 7.5×10¹¹ M☉과 M31의 관측 질량 분포는 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• NFW 및 Einasto 암흑물질 프로파일이 M31의 거의 모든 반경에서 관측된 회전 및 분산 데이터에 가장 잘 맞는다.
• NFW 암흑물질 프로파일을 가진 M31의 총 질량은 1.19×10¹² M☉이며, 암흑물질 대가시질량 비율은 10.0이다.
• Einasto 프로파일의 경우 총 질량은 1.28×10¹² M☉이고 암흑물질 대가시질량 비율은 10.8이다.
• 홀름버그 반경(~25 kpc) 내부에서는 NFW 및 Einasto 프로파일 모두에서 암흑물질 대가시질량 비율이 1.75이다.
• 10 pc 이내의 중심 암흑물질 밀도는 NFW의 경우 33 M☉ pc⁻³, Einasto의 경우 16 M☉ pc⁻³이며, 코어가 있는 Burkert 프로파일은 오직 0.057 M☉ pc⁻³이다.
• 결과는 위성 및 운동학적 데이터로부터 유도된 하한값 7.5×10¹¹ M☉과 일치하며, 디스크은하의 구조에 대해 ΛCDM 철학을 지지한다.