[論文レビュー] Galaxy merging in MOND

Carlo Nipoti, P. Londrillo+1 more|May 31, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、修正ニュートン力学（MOND）における断熱的でない銀河合体をN体シミュレーションで調査し、ダークマターハローを伴うニュートン力学と比較した。その結果、動的摩擦が弱く、位相混合が遅いため、MONDでは合体 timescale が著しく長くなるが、最終的な星の構造はダークマターを伴うニュートン的合体とほとんど区別できないことが判明した。これは、観測的に急速な合体が見られるという証拠が、MONDよりもダークマターの存在を支持するものであることを示唆している。

ABSTRACT

We present the results of N-body simulations of dissipationless galaxy merging in Modified Newtonian Dynamics (MOND). For comparison, we also studied Newtonian merging between galaxies embedded in dark matter halos, with internal dynamics equivalent to the MOND systems. We found that the merging timescales are significantly longer in MOND than in Newtonian gravity with dark matter, suggesting that observational evidence of rapid merging could be difficult to explain in MOND. However, when two galaxies eventually merge, the MOND merging end-product is hardly distinguishable from the final stellar distribution of an equivalent Newtonian merger with dark matter.

研究の動機と目的

• MONDにおける銀河合体が、ダークマターハローを伴うニュートン的重力と観測的に区別可能な特徴を示すかどうかを検証すること。
• 断熱的でない銀河合体における、動的摩擦および緩和過程の効率性が、MONDにおいてどのように働くかを調査すること。
• MONDと等価なニュートン的系（ダークマターを伴う）における合体 timescale および最終的構造的性質を比較すること。
• 観測的に急速な銀河合体が見られるという証拠が、MONDと整合するかどうかを評価すること。
• MONDの非線形重力が、特に潮汐尾や位相混合現象を含む銀河相互作用の動力学に与える影響を検討すること。

提案手法

• 本研究では、Bekensteinが提唱したMONDの定式化に基づく新規に開発されたMOND N体コードを用い、各タイムステップで非線形場方程式 ∇·[μ(|∇ϕ|/a₀)∇ϕ] = 4πGρ を解いた。
• MONDポテンシャル ϕ は反復的に計算され、μ(y) = y/√(1 + y²) と定義された。重力場は、μ(g/a₀)g = g^N + S によりニュートン的場 g^N と関連づけられ、S は発散なしの補正項である。
• 初期条件として、同一の球対称な星のHernquistモデル（ρ*(r) = M* r* / [2π r (r + r*)³]）を用い、MOND内部動力学と一致するように、等価なニュートン的モデルにダークマターハローを組み込んだ。
• 粒子の配置は位相空間分布関数を用いて行い、ニュートン系では解析的に、MOND系ではEddingtonの逆問題を数値的に解いて行った。
• シミュレーションでは、時間経過に伴う合体の進化を追跡し、密度プロファイル、速度分散、半質量半径などの構造的・運動的・動力学的性質を分析した。
• MOND合体、ダークマターなしのニュートン的合体、およびMOND系と等価なダークマターを伴うニュートン的合体との間で、比較的分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MONDにおける銀河合体は、観測された急速な合体と整合する timescale で進行するのか？
• RQ2 MOND合体の最終的構造的性質は、ダークマターを伴うニュートン的合体と比べてどのように異なるか？
• RQ3 動的摩擦は、MONDにおいてダークマターを伴うニュートン的重力よりも効果が低いのか？
• RQ4 観測された急速な銀河合体の頻度は、MONDの非線形重力およびダークマターハローの欠如と整合することができるか？
• RQ5 MONDにおける位相混合および激しい緩和の進行速度は、ニュートン的力学と比べて合体プロセスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• MONDにおける合体 timescale は、ダークマターを伴うニュートン的重力と比較して著しく長く、これは、軌道パラメータがきめ細かく調整されない限り、急速な合体がMONDでは起こりにくいことを示している。
• MOND合体の最終的星の密度プロファイルは、等価なニュートン的合体（γ = 1.0–1.7）と比較してやや急峻（γ = 1.4–2.0）であるが、観測的に区別できるほどではない。
• MOND合体では、ダークマターを伴うニュートン的対応物に比べ、最終的なバイナル速度分散 σ_V は低く、半質量半径 r_M は大きくなる。
• MONDでは位相混合や激しい緩和が遅いにもかかわらず、合体の最終的生成物は、ダークマターを伴うニュートン的重力とほとんど区別できない構造的性質を持つ。
• ニュートン的力学でうまく説明できる潮汐尾やリップルの観測的特徴は、MONDでは動的摩擦が弱く、緩和が遅いため、再現が困難である。
• 結果として、局所銀河系に広く見られる急速な銀河合体の観測的証拠は、MONDよりもダークマター仮説を支持するものであると考えられる。