[論文レビュー] Disk stability under MONDian gravity

Jiménez, X. Hernández|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ToomreのQ安定性パラメータのMOND版に相当するもの、$ Q_M = (\sigma\Omega)^2 / (a_0 G\Sigma) $ を導出し、銀河円盤のサンプルを用いて $ Q_M $ が表面密度プロファイルの指数的フィットからの逸脱が生じる臨界半径を、古典的Qよりも顕著に良く予測することを示した。結果は、銀河円盤の安定性を説明するためのダークマターの代替案としてMONDが有効であることを支持する。

ABSTRACT

Toomre's $Q$ stability parameter has long been shown through various theoretical arguments and numerical simulations, to be the principal determinant of stability against self-gravity in a galactic disk, under classical gravity. Comparison with observations however, has not always confirmed the condition of $Q=Q_{crit}$ to be well correlated with various critical galactic radii. In this paper we derive the analogous critical parameter, $Q_{M}$, under MONDian gravity. The result is a modification by a factor of $(σΩ)/a_{0}$, $Q_{M}=(σΩ)^{2}/(a_{0}G Σ)$, where $a_{0}$ is the critical acceleration scale of MOND. We then show through a direct comparison to a homogeneous sample of observed disk galaxies with measured brightness profiles, rotation velocity curves and internal velocity dispersion profiles, that the critical radii at which brightness profiles dip below the exponential fit, are much more accurately predicted by $Q_{M}$ than by the $Q$ of classical gravity. This provides a new and completely independent argument supporting the reality of a change in the form of gravity on reaching the low acceleration regime.

研究の動機と目的

• 銀河円盤のためのToomreの古典的安定性パラメータ$ Q $に相当するMOND版を考案すること。
• MOND重力から導かれる$ Q_M $が、古典的$ Q $と比較して観測された円盤の断面半径をより良く予測できるかを検証すること。
• 円盤の安定性と観測可能な銀河の構造的特徴を結びつけることで、MONDの独立した観測的検証を提供すること。
• 局所的円盤安定性基準を通じて、低加速度領域におけるMONDの妥当性を評価すること。

提案手法

• MOND下での局所的3次元安定性基準を用い、潮汐力と内部圧力が自己重力と釣り合うように、Toomreの$ Q $に類似した方法で$ Q_M $を導出する。
• 式 $ Q_M = (\sigma\Omega)^2 / (a_0 G\Sigma) $ を使用する。ここで$ \sigma $は速度分散、$ \Omega $は角周波数、$ a_0 $はMOND加速度スケール、$ G $は万有引力定数、$ \Sigma $は表面密度を表す。
• Martinssonら（2013a, 2013b）が得た19個の銀河の均質なサンプルに、測定済みの回転曲線、速度分散、表面輝度プロファイルを適用する。
• 観測されたKバンド表面輝度プロファイルが指数的フィットを下回る臨界半径$ R_c $を特定する。
• 観測された$ R_c $値と$ Q_M $、古典的$ Q $による予測値を比較し、相関の強さを評価する。
• 臨界半径における平均値$ \langle Q_M \rangle = 0.4 $および$ \langle Q \rangle = 4 $を計算し、安定性状態を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOND版安定性パラメータ$ Q_M $は、銀河表面輝度プロファイルの観測された断面半径を、古典的$ Q $パラメータよりも正確に予測できるか？
• RQ2 $ Q_M $と観測された構造的断面との相関性は、古典的$ Q $と比較して顕著に向上しているか？
• RQ3 表面輝度プロファイルが指数的フィットから逸脱する臨界半径における$ Q_M $の平均値は何か？
• RQ4 古典的$ Q $パラメータは、これらの断面半径における円盤銀河の安定性分類において$ Q_M $とどのように比較されるか？

主な発見

• MOND版安定性パラメータ$ Q_M = (\sigma\Omega)^2 / (a_0 G\Sigma) $ は、古典的$ Q $と比較して、表面輝度プロファイルの観測された断面半径を顕著に良く予測する。
• 臨界半径における$ \langle Q_M \rangle = 0.4 $という平均値は、MOND下で円盤が安定性の臨界状態に近いことを示しており、観測された断片化と整合的である。
• それに対して、古典的$ Q $は$ \langle Q \rangle = 4 $を示し、これらの円盤が準安定で安定であると分類されるが、これは観測された構造的断面と矛盾する。
• $ Q_M $と観測された断面半径との相関性の向上は、低加速度領域におけるMONDの物理的妥当性を支持する。
• この結果は、ダークマターではなく修正重力理論が円盤安定性を説明する上で優位であることを示す、新たな独立した観測的検証を提供する。
• 本研究は、MONDの臨界加速度スケール$ a_0 $が、局所的円盤安定性を決定づける重要な役割を果たしていることを確認しており、他のさまざまな天体物理学的系におけるMONDのテストと整合的である。