[論文レビュー] Cosmological puzzle resolved by stellar feedback in high redshift galaxies

Sergey Mashchenko, Couchman, H. M. P.+1 more|CERN Bulletin|May 26, 2006

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 166

ひとこと要約

本稿では、高赤方偏移銀河における星間物質の反動が、ガスのランダムな大規模運動を引き起こし、揺らめく重力ポテンシャルを通じて、約10^8年という時間スケールで、暗黒物質に運動エネルギーを効率的に転送することにより、中心部の暗黒物質の急峻な勾配（cusp）を平坦化するメカニズムを提案する。このメカニズムは、新物理を必要とせず、長年のcusp-core不一致問題を解決する。

ABSTRACT

The standard cosmological model, now strongly constrained by direct observation at early epochs, is very successful in describing the structure of the evolved universe on large and intermediate scales. Unfortunately, serious contradictions remain on smaller, galactic scales. Among the major small-scale problems is a significant and persistent discrepancy between observations of nearby galaxies, which imply that galactic dark matter (DM) haloes have a density profile with a flat core, and the cosmological model, which predicts that the haloes should have divergent density (a cusp) at the centre. Here we use numerical N-body simulations to show that random bulk motions of gas in small primordial galaxies, of the magnitude expected in these systems, result in a flattening of the central DM cusp on short timescales (of order 10^8 years). Gas bulk motions in early galaxies are driven by supernova explosions which result from ongoing star formation. Our mechanism is general and would have operated in all star-forming galaxies at redshifts z>~ 10. Once removed, the cusp cannot be reintroduced during the subsequent mergers involved in the build-up of larger galaxies. As a consequence, in the present universe both small and large galaxies would have flat DM core density profiles, in agreement with observations.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションが予測する急峻な暗黒物質プロファイルと、観測で示される銀河ハローにおける平坦なコア構造との間の継続的で顕著な不一致を解消すること。
• 標準的なコールド・ダーク・マター（CDM）モデル内での従来のメカニズムが、cusp-core問題を解決できるかを調査すること。
• 初期銀河における星間物質の反動によって駆動される、物理的に妥当で効率的なcusp平坦化メカニズムを提唱し、検証すること。
• コア構造が形成された後も、その後の合体によって再び急峻な勾配が回復しないことを示すこと。

提案手法

• GADGETコードを用いたN体シミュレーションを実行し、塊の集まった、大規模に動くガス雲と相互作用する生きた暗黒物質ハローをモデル化する。
• ガスの塊を特徴的半径h = 40 pcを持つ緩和された点質量としてモデル化し、振幅A ≈ 400 pcの周期的振動を実行する。
• ガスの運動に起因する時間変化する重力ポテンシャルを適用し、暗黒物質粒子に運動エネルギーを転送することで、激しい緩和（violent relaxation）を模倣する。
• ガス速度（V = 4–63 km s⁻¹）、ガス質量（0.5から10⁸ M⊙まで）、塊の集中度を変化させ、結果の頑健性をテストする。
• 観測されたガスの大規模運動を維持するために必要なエネルギーを推定し、エネルギー変換効率ξ = 0.1を仮定して、超新星発生率を評価する。
• 複数の解像度（32³から128³粒子）と、より高精度な積分を用いた収束性テストを実施し、結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河におけるガスのランダムな大規模運動は、CDMシミュレーションで予測される中心部の暗黒物質の急峻な勾配を、効率的に平坦化できるか？
• RQ2 ガス密度、塊のサイズ、速度分散の変化に対して、cusp平坦化効果は頑健か？
• RQ3 星間物質の反動が、cuspの平坦化に必要なガス運動を、十分に長い時間にわたって維持できるか？
• RQ4 初期のガス集中度に起因する暗黒物質ハローの断熱的圧縮が、cusp平坦化メカニズムに与える影響は何か？
• RQ5 コア形成後に、その後の合体によってcuspが再び再生するか？

主な発見

• ガスの大規模運動が約11 km s⁻¹（V ≈ 0.35V_c）の速度で、初期ハローに急峻なcuspが存在しても、約5000万年で中心部の暗黒物質cuspが平坦化される。
• ガスの集中度にかかわらず、cusp平坦化効果は頑健である：低密度の塊（h ≈ 200 pc）では2億2000万年、定義されたガス質量の半分では2億4000万年で完全なコア形成が達成される。
• ガス密度が暗黒物質密度の1/4に低下しても、cusp平坦化は約8億年で達成され、z ≈ 10におけるHubble時間（t_H ≈ 490 Myr）のスケール内に収まる。
• 振動振幅を2倍（A = 850 pc）にした場合でも、cusp平坦化は約4億6000万年で実現され、メカニズムの有効性は保たれる。
• 10個以上の塊が存在すると、断熱的圧縮が生じ、暗黒物質プロファイルに再びcuspが形成される。これは、小スケールの乱流がcuspを消去できないことを示唆する。
• 観測されたガスの大規模運動を維持するために必要な超新星発生率は、約0.8 Myr⁻¹（ξ = 0.1）であり、星形成率は0.01 M⊙ yr⁻¹、ガス消費時間スケールは約100億年と推定され、観測された矮星不規則銀河と整合的である。