[论文解读] The Cosmological Significance of Disk Galaxy Rotation Curves

Julio F. Navarro|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 1998

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究分析了超过100个盘状星系的旋转曲线，以检验其暗物质晕是否遵循Navarro-Frenk-White（NFW）密度分布。研究发现，尽管大多数星系与NFW分布一致，但低表面亮度星系表现出更平缓的中心密度；晕的特征密度低于标准冷暗物质模型的预测，与低密度、COBE归一化的平坦CDM宇宙更吻合。

ABSTRACT

We use the rotation curves of more than 100 disk galaxies to examine whether the structure of their surrounding dark halos is consistent with the universal density profile proposed by Navarro, Frenk & White (NFW profiles). Rotation curve shape is a strong function of galaxy surface brightness: low-surface brightness galaxies (LSBs) have slowly rising rotation curves while in high-surface brightness systems the rotation speed rises sharply and stays flat or even declines beyond the optical radius. These observations are consistent with NFW halo profiles, with the possible exception of a few LSBs where the rotation curves are better described by shallower central density profiles. Consistency with observational trends requires that halos have lower characteristic densities than expected in the standard biased cold dark matter (CDM) scenario, but roughly compatible with COBE-normalized, low-density, flat CDM universes. The data also imply that disk mass-to-light ratios increase gently with luminosity, and that the halo circular velocity, V_200, is not directly proportional to the disk rotation speed, V_rot. Slowly rotating disks are surrounded by halos of higher circular velocities, whereas faster rotators (V_rot > 150 km/s) are all surrounded by halos of similar mass, corresponding to V_200 ~ 200 km/s. We speculate that this is because the efficiency of assembly of baryons into galaxies is high in massive halos, leading to disks too massive to be stable in systems that exceed the ``critical'' V_200 ~ 200 km/s. This modeling also provides a natural explanation for the distribution of sizes and rotation speeds of disk galaxies. (Abridged.)

研究动机与目标

• 评估盘状星系中暗物质晕结构是否与普遍的NFW密度分布一致。
• 调查观测到的旋转曲线与标准冷暗物质（CDM）模型预测之间的差异。
• 确定旋转曲线形状对晕质量与密度分布的影响，特别是对低表面亮度星系的影响。
• 探讨盘旋转速度（V_rot）与晕的圆周速度（V_200）之间的关系及其宇宙学意义。

提出的方法

• 分析超过100个盘状星系的旋转曲线，以观测到的旋转速度随半径的变化为依据。
• 将观测到的旋转曲线形状与不同星类型下NFW晕分布的预测进行比较。
• 将盘的质量-光度比作为自由参数，以拟合观测到的旋转曲线，允许其随光度变化。
• 从最佳拟合的晕模型推断晕的圆周速度V_200，并与观测到的盘旋转速度V_rot进行比较。
• 通过将推导出的晕密度与标准偏置CDM和COBE归一化的低密度平坦CDM情景的预测进行比较，评估与宇宙学模型的一致性。
• 对晕-盘质量形成效率进行建模，以解释观测到的V_200-V_rot关系及星系大小分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 盘状星系的旋转曲线是否在不同表面亮度范围内均支持NFW暗物质晕分布？
• RQ2 盘状星系中推断出的晕密度与标准偏置冷暗物质模型的预测相比如何？
• RQ3 为何旋转缓慢的盘状星系具有更高的晕圆周速度，这对其恒星物质形成效率有何含义？
• RQ4 低表面亮度星系在多大程度上偏离NFW分布，这对其中心晕结构有何启示？
• RQ5 V_200-V_rot关系如何解释观测到的盘状星系大小与旋转速度的分布？

主要发现

• 大多数盘状星系，包括高表面亮度系统，其旋转曲线形状与NFW晕分布一致。
• 低表面亮度星系表现出缓慢上升的旋转曲线，表明在少数情况下其中心密度分布比NFW更平缓。
• 从观测中推断出的晕特征密度低于标准偏置冷暗物质情景的预期，但与COBE归一化的低密度平坦CDM宇宙一致。
• 盘的质量-光度比随光度逐渐增加，表明盘质量分布存在系统性趋势。
• 晕的圆周速度V_200与盘的旋转速度V_rot不成正比；旋转缓慢的星系位于V_200更高的晕中，而快速旋转星系（V_rot > 150 km/s）全部位于V_200 ≈ 200 km/s的晕中。
• V_200 ≈ 200 km/s的阈值表明恒星物质形成效率存在上限，即质量高于此的晕可能形成过于巨大的盘，无法保持稳定，从而解释了观测到的星系大小与旋转速度分布。