[論文レビュー] A new astrophysical solution to the Too Big To Fail problem - Insights from the MoRIA simulations

Robbert Verbeke, Emmanouil Papastergis+3 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Mar 10, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 78被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、後期型分野銀河におけるToo Big To Fail（TBTF）問題が、ΛCDM宇宙論の欠陥によるものではなく、観測バイアスによるものであると提唱する。低質量矮星銀河のH i運動学的特性は、湍流的で膨張した星間媒体のため、ハローの円運動速度を系aticallyに低く見積もる。MoRIA流体ダイナミクスシミュレーションを用いて、合成されたH i運動学的特性が標準的なハロー密度分布にフィットされる際、ハロー質量が低く見積もられることを示している。これは、実際の矮星銀河がガス運動学的特性からの推定よりも、より大きなハローに存在している可能性を示唆する。

ABSTRACT

We test whether advanced galaxy models and analysis techniques of simulations can alleviate the Too Big To Fail problem (TBTF) for late-type galaxies, which states that isolated dwarf galaxy kinematics imply that dwarfs live in lower-mass halos than is expected in a ΛCDM universe. Furthermore, we want to explain this apparent tension between theory and observations. To do this, we use the MoRIA suite of dwarf galaxy simulations to investigate whether observational effects are involved in TBTF for late-type field dwarf galaxies. To this end, we create synthetic radio data cubes of the simulated MoRIA galaxies and analyse their HI kinematics as if they were real, observed galaxies. We find that for low-mass galaxies, the circular velocity profile inferred from the HI kinematics often underestimates the true circular velocity profile, as derived directly from the enclosed mass. Fitting the HI kinematics of MoRIA dwarfs with a theoretical halo profile results in a systematic underestimate of the mass of their host halos. We attribute this effect to the fact that the interstellar medium of a low-mass late-type dwarf is continuously stirred by supernova explosions into a vertically puffed-up, turbulent state to the extent that the rotation velocity of the gas is simply no longer a good tracer of the underlying gravitational force field. If this holds true for real dwarf galaxies as well, it implies that they inhabit more massive dark matter halos than would be inferred from their kinematics, solving TBTF for late-type field dwarf galaxies.

研究の動機と目的

• 高解像度の流体ダイナミクスシミュレーションに現実的なH i分布と運動学的特性を適用した観測技術を適用することで、後期型分野矮星銀河におけるToo Big To Fail（TBTF）問題が緩和されるかを調査すること。
• 矮星銀河における推定されたハロー質量と真のハロー質量の差異を引き起こす物理的メカニズムを特定すること。
• TBTF問題がΛCDMの欠陥に起因するのではなく、運動学的解析の限界に起因するかどうかを評価すること。
• 低質量矮星銀河のH i運動学的特性が、その背後にある重力的ポテンシャルを信頼できるトレーサーとして機能するかを検証すること。
• 現実的なシミュレーションの文脈において、H iライン幅（W50）と最大ハロー円運動速度（vh,max）との間のP16関係の妥当性を評価すること。

提案手法

• 現実的なH i分布と運動学的特性を備えた高解像度の流体ダイナミクスシミュレーションであるMoRIAスイートを用いて、後期型分野矮星銀河をシミュレートする。
• 実際の観測条件を模倣するように、合成された電波データキューブを生成する。
• 圧力支持の補正を加えた上で、合成データから空間的に分解されたH i回転曲線を構築する。
• 外側のデータポイントにNFWおよびDC14ハロー密度分布（濃度を固定）をフィットし、観測的に推定されたハロー円運動速度（vh,max,fit）を推定する。
• フィットされたvh,max,fit値を、シミュレーション内の質量分布から直接導出された真の最大円運動速度（vh,max,true）と比較する。
• P16関係（W50対vh,max）を用いて、シミュレートされた銀河と観測された分野矮星銀河の統計との整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なシミュレーションに適用された観測技術が、実際の矮星銀河で観測されたTBTF問題をどの程度再現するか？
• RQ2 なぜ低質量矮星銀河のH i運動学的特性が、そのハローの真の円運動速度を系的に低く見積もるのか？
• RQ3 星間媒体（ISM）のどの物理的性質が、低質量矮星銀河においてH i運動学的特性が重力的ポテンシャルの良好なトレーサーでなくなる原因となるのか？
• RQ4 シミュレーションにおける推定されたハロー質量と真のハロー質量の差異が、実際の矮星銀河が現在の推定よりもより大きなハローに存在している可能性を示唆するか？
• RQ5 低質量矮星銀河における湍流的で垂直方向に膨張したH i構造が、回転曲線からのハロー質量推定の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• H i回転速度が約30 km s⁻¹未塔の低質量後期型矮星銀河では、H i運動学的特性が、そのハローの真の円運動速度を一貫して低く見積もる。
• 理論的ハロー密度分布（NFWおよびDC14）を外側のH i回転曲線データにフィットしても、現実的なシミュレーション出力であっても、ハロー質量が系的に低く見積もられる。
• この低く見積もられる原因の主な要因は、低質量矮星銀河におけるH iの湍流的で垂直方向に拡張され、運動的に高温な状態であり、これは動的に冷たく、回転支持されたディスクの形成を妨げる。
• ISM内の観測された運動的不規則性と圧力支持は、H i回転速度が特に低質量系において、背後にある重力的ポテンシャルを正確に追跡できないようにする。
• これらのシミュレーションにおけるTBTF問題は、ΛCDMに準拠する小銀河の欠落に起因するのではなく、湍流的で冷たくないガスに適用された運動学的推定法の限界に起因する。
• これは、実際の分野矮星銀河がH i運動学的特性からの推定よりも、より大きなハローに存在している可能性を示唆し、ΛCDMを変更することなくTBTF問題に対する新たな天体物理学的解決策を提供する。