[論文レビュー] The Formation of Large Galactic Disks: Revival or Survival?

F. Hammer, Puech, M.+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 100被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ガスを多く含む大規模合体——同程度の質量でガスを多く含むディスク銀河同士の衝突——が、現在観測される大規模銀河ディスクの再形成の主なメカニズムであったと提案する。これは、ΛCDMモデルが予測する高い合体率と、局所宇宙における巨大で薄いディスク銀河の豊富な存在という矛盾を解消するものである。IMAGES調査の深紫外・多波長観測を用いて、赤方偏移z ≈ 0.6におけるスパイラル銀河の前身銀河の約50％が、最近の合体を示唆する異常な形態と運動学的特徴を示していることが判明した。このような合体は、拡張したディスクやM31の巨大ストリームのような明るさの弱いハロー構造の形成を自然に説明できる。

ABSTRACT

Using the deepest and the most complete set of observations of distant galaxies, we investigate how extended disks could have formed. Observations include spatially-resolved kinematics, detailed morphologies and photometry from UV to mid-IR. Six billion years ago, half of the present-day spiral progenitors had anomalous kinematics and morphologies, as well as relatively high gas fractions. We argue that gas-rich major mergers, i.e., fusions between gas-rich disk galaxies of similar mass, can be the likeliest driver for such strong peculiarities. This suggests a new channel of disk formation, e.g. many disks could be reformed after gas-rich mergers. This is found to be in perfect agreement with predictions from the state-of-the-art LCDM semi-empirical models: due to our sensitivity in detecting mergers at all phases, from pairs to relaxed post-mergers, we find a more accurate merger rate. The scenario can be finally confronted to properties of nearby galaxies, including M31 and galaxies showing ultra-faint, gigantic structures in their haloes.

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルの高い合体率と、局所宇宙における巨大で薄いディスク銀河の豊富な存在という矛盾を解消すること。
• 大規模銀河ディスクの形成が、連続的な定常的進化ではなく、合体後の再形成によって説明可能かどうかを明らかにすること。
• 赤方偏移z ≈ 0.4–0.8の遠方銀河で観測された運動学的・形態的奇妙さが、最近のガスを多く含む大規模合体と整合するかどうかを検証すること。
• 近傍銀河、特にM31およびそのハロー構造の性質が、このような合体駆動のディスク再形成によって説明可能かどうかを評価すること。
• 包括的で多波長のデータセットを用いて、高赤方偏移の前身銀河と現在の子孫銀河との間の強固な観測的関係を確立すること。

提案手法

• HST/ACS、FLAMES/GIRAFFE、VLT/FORS2、Spitzer、GALEXを用いて、赤方偏移z ≈ 0.4–0.8の63個の巨大銀河（M⋆ > 1.5×10¹⁰ M⊙）を対象に、深紫外・多波長調査（IMAGES）を実施した。
• 局所のハッブル系列のテンプレートを用い、色情報も含めた半自動的・テンプレートベースの形態分類法を適用した。
• FLAMES/GIRAFFEによる空間分解能7 kpcの運動学的データを用い、速度場を回転、摂動した回転、複雑な運動学的特徴に分類した。
• 形態的奇妙さと運動学的異常を相関させ、合体影響を受けたシステムを同定した。Neichelら（2008）の95%および86%の一致率を用いた。
• 高赤方偏移の結果を、M31や明るさの弱いハロー構造を持つ孤立スパイラル銀河といった局所の類縁体と比較し、合体シナリオの整合性を検証した。
• 最新のΛCDM半経験的モデルを用いて、観測された合体率とディスク再形成シナリオの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所宇宙における巨大で薄いディスク銀河の形成は、定常的進化ではなく、合体後の再形成によって説明可能だろうか？
• RQ2 赤方偏移z ≈ 0.6の高赤方偏移スパイラル銀河の前身銀河で観測された形態的・運動学的奇妙さは、どの程度最近のガスを多く含む大規模合体を示唆するのか？
• RQ3 M31の巨大ストリームやその他の明るさの弱いハロー構造は、小規模合体ではなく、3:1のガスを多く含む合体によって説明可能だろうか？
• RQ4 ペアから緩和された合体後期までを含めたすべての合体段階を考慮した場合、赤方偏移z ≈ 0.4–0.8での観測された合体率はΛCDMの予測と整合的だろうか？
• RQ5 明るさの弱いハローのループ構造（例：NGC5907）を示す近傍の孤立スパイラル銀河の性質は、小規模合体ではなく、大規模合体シナリオによって再現可能だろうか？

主な発見

• 赤方偏移z ≈ 0.6において、巨大スパイラル銀河の前身銀河の約50％が、異常な運動学的特徴と形態を示しており、これは合体直後または合体直後にいたことを示唆している。
• 観測された運動学的・形態的奇妙さは、ガス分率の高い状態と強く相関しており、ガスを多く含む大規模合体がディスク再形成の主な駆動要因であることを支持する。
• IMAGES調査で得られた合体率は、合体の全段階を捉えているため、従来の推定値よりも正確で、ΛCDMの予測と整合的である。
• ガスを多く含む合体後のディスク再形成シナリオは、M31の巨大ストリームをうまく説明でき、8.75±0.35 Gyr前に発生した3:1のガスを多く含む合体が、小規模合体モデルよりも良好に再現されている。
• 同様の合体シナリオは、NGC5907のような孤立スパイラル銀河の明るさの弱いハロー構造（ループ）を説明でき、これは潮汐尾から戻ってくる星によって生じるものであり、小規模合体説に反する。
• 最近のAREPO型のシミュレーションと整合的であり、大規模合体後でも高い角運動量を保持する傾向があることが示され、観測されたような薄いディスクの形成が可能である。