[論文レビュー] Comparison of Modeling SPARC spiral galaxies' rotation curves: halo models vs MOND

Lin Wang, Daming Chen|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 49被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、SPARCデータベースに収録された45個の高表面輝度で非ボーリングな渦巻銀河の回転曲線に、ダークマター・ハロー・モデル（NFWおよびバーグァート）とMONDを比較して適合させた。バーグァートの核を持つハロー・モデルが最良の適合（$χ^2 = 0.33$）を示し、NFW（$χ^2 = 0.45$）およびMOND（$χ^2 = 0.58$）を上回った。また、$ρ_0$ と $r_0$ の相関関係が明らかになった。MONDでは、外れ値を除いた場合、平均 $a_0 = (0.74 \pm 0.45) \times 10^{-8}\ \text{cm\ s}^{-2}$ が得られ、これは $a_0$ が普遍的でない可能性を示唆している。

ABSTRACT

We investigate a sub-sample of the rotation curves consisting of 45 HSB non-bulgy spiral galaxies selected from SPARC (Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves) database by using two dark halo models (NFW and Burkert) and MOdified Newtonian Dynamics (MOND) theory. Among these three models, the core-dominated Burkert halo model provides a better description of the observed data ($\chi_{ u}^2$ = 0.33) than Navarro, Frenk and White (NFW, $\chi_{ u}^2$= 0.45) and MOND model ($\chi_{ u}^2$ = 0.58). So our results show that, for dark halo models, the selected 45 HSB non-bulgy spiral galaxies prefer a cored density profile to the cuspy one (NFW); We also positively find that there is a correlation between $ ho_0$ and $r_0$ in Burkert model. For MOND fits, when we take $a_0$ as a free parameter, there is no obvious correlation between $a_0$ and disk central surface brightness at 3.6 $\mu m$ of these HSB spiral galaxies, which is in line with the basic assumption of MOND that $a_0$ should be a universal constant. Interestingly, our fittings gives $a_0$ an average value of $(0.74 \pm 0.45) imes 10^{- 8} m {cm\ s^{- 2}}$ if we exclude the three highest values in the sample, which is smaller than the standard value ($1.21 imes 10^{-8} m {cm\ s^{- 2}}$).

研究の動機と目的

• 孤立した渦巻銀河の観測された回転曲線へのダークマター・ハロー・モデル（NFWおよびバーグァート）とMONDの適合性能を評価すること。
• 高表面輝度で非ボーリングな渦巻銀河の運動学的性質をよりよく記述するのは、核を持つ（バーグァート）か、ピークを持つ（NFW）かのダークマター分布のどちらであるかを特定すること。
• 3.6 $\mu$mでのディスク中央表面輝度との相関関係を検討することで、MONDの加速度定数 $a_0$ の普遍性をテストすること。
• 特に $ρ_0$ と $r_0$ の間の相関関係を含む、バーグァート・ハロー・モデルにおける構造的パラメータの潜在的相関関係を調査すること。

提案手法

• SPARCデータベースの45個のHSB非ボーリング渦巻銀河の回転曲線を、NFW、バーグァート、およびMONDモデルでフィットする。
• モデルの適合度を定量化するために $\chi^2$ 統計量を用い、より低い $\chi^2$ 値が観測データとより良い一致を示す。
• パラメータ $\rho_0$（中心密度）と $r_0$（核半径）を有するバーグァート・ハロー・モデルを用いて、これらのパラメータ間の相関関係を評価する。
• ディスクの性質、特に3.6 $\mu$mでの中央表面輝度に依存するかをテストするため、MOND適合で $a_0$ を自由パラメータとして扱う。
• 平均 $a_0$ の推定値の妥当性を検証するため、$a_0$ 値が最も高い3つの銀河を除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バーグァートの核を持つダークマター・ハロー・モデルは、NFWのピークを持つハロー・モデルよりも、HSB非ボーリング渦巻銀河の回転曲線に対してより良い適合を示すか？
• RQ2 これらの銀河に対して、バーグァート・ハロー・モデルにおける中心密度 $\rho_0$ と核半径 $r_0$ の間に有意な相関関係があるか？
• RQ3 MONDの加速度定数 $a_0$ は、3.6 $\mu$mでのディスク中央表面輝度と相関関係を示すだろうか？（$a_0$ が普遍的であると予想される場合）
• RQ4 外れ値を除外した場合、MOND適合における $a_0$ の平均値は何か？ そして、標準値と比較するとどうなるか？

主な発見

• バーグァート・ハロー・モデルが観測された回転曲線に対して最良の適合を示し、$χ^2 = 0.33$ であった。これはNFWモデル（$χ^2 = 0.45$）およびMOND（$χ^2 = 0.58$）を上回った。
• サンプル銀河に対して、バーグァート・ハロー・モデルにおける中心密度 $\rho_0$ と核半径 $r_0$ の間に有意な相関関係が確認された。
• MOND適合で $a_0$ を自由パラメータとして扱った場合、$a_0$ と3.6 $\mu$mでのディスク中央表面輝度との間に明確な相関関係は認められず、これはMONDの仮定である $a_0$ の普遍性を支持する。
• $a_0$ の最も高い3つの値を除外した結果、平均 $a_0$ は $(0.74 \pm 0.45) \times 10^{-8}\ \text{cm\ s}^{-2}$ と測定され、標準値 $1.21 \times 10^{-8}\ \text{cm\ s}^{-2}$ よりも低かった。
• 結果から、核を持つダークマター・ハロー（バーグァート）が、これらのHSB非ボーリング渦巻銀河の運動学的性質を、ピークを持つNFWプロファイルよりもよりよく記述していることが示唆された。