[论文解读] A Heavy Baryonic Galactic Disc

J. I. Davies|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出，旋涡星系中平坦的旋转曲线可由一个大质量、延展的重子盘（主要为冷的原子和分子氢）解释，而无需引入非重子暗物质。通过扩展Mestel的盘模型，并假设重子质量比目前观测值多约7倍，作者表明此类盘能自然重现观测到的旋转曲线和Tully-Fisher关系，从而解决了长期存在的盘-晕协同问题和最大盘拟合难题。

ABSTRACT

We investigate the possibility that the observed rotation of galaxies can be accounted for by invoking a massive baryonic disc with no need for non-baryonic dark matter or a massive halo. There are 5 primary reasons for suggesting this: 1. there are well known disc surface mass density distributions that naturally produce the observed rotation curves of galaxies. 2. there are a number of rotation curve `puzzles' that cannot be explained by a massive dark matter halo i.e. the success of maximum disc fitting, HI gas scaling to the observed rotation, the disc/halo conspiracy and the interpretation of the Tully-Fisher relation. 3. recent 21cm observations show an almost constant HI surface density and a distinct `cut-off' or edge to galactic discs. We explain this constant surface density in terms of either an optical depth effect or the onset of molecular gas formation and hence the possibility of considerably more gas existing in galaxies. We suggest that the HI cut-off does indeed mark the edge of the galactic disc. 4. there have been an increasing number of recent observations that imply that X_CO may be ten times higher in the outer Galaxy. This `dark' gas may provide adequate mass to account for galaxy rotation. 5. we show that the additional baryonic mass required to account for the rotation of galaxies is just that required to reconcile observed baryons with those predicted by big bang nucleosynthesis. Mestel discs can be used to straight forwardly explain the scaling laws of galaxies, particularly the observed relation between rotation velocity and radius and the oft used Tully-Fisher relation. We discuss observations of the baryonic content of galactic discs and where sufficient `hidden' baryons might be found to account for the rotation.

研究动机与目标

• 挑战非重子暗物质在解释平坦星系旋转曲线中的必要性。
• 探究是否存在一个大质量重子盘（尤其是包含隐藏的原子和分子气体）可解释观测到的动力学行为。
• 通过纯重子质量解决星系动力学中长期存在的难题，如盘-晕协同问题和最大盘拟合问题。
• 通过在星系盘中计入隐藏的重子储库，使观测到的重子质量与大爆炸核合成预测相一致。
• 探索孤立坍缩的等温气体云是否能自然产生如Tully-Fisher关系等观测到的标度律。

提出的方法

• 使用Mestel的解析盘模型——特别是恒定线速度（Mestel）盘和恒定角速度盘——推导出能产生平坦旋转曲线的表面质量密度分布。
• 将Mestel的等温、恒定密度球状原星云坍缩模型所得的表面质量密度分布应用于引力势计算，以解释观测到的旋转曲线。
• 对HI 21cm观测提出修正解释，认为观测到的恒定HI表面密度源于光学厚度效应或分子气体形成的起始，暗示总气体质量远高于以往假设。
• 提出HI“截断”标志着星系盘的真实边界，而非气体的截断，且该边界对应于向分子气体的过渡。
• 重新解释伽马射线观测结果，表明外星系中X_CO因子可能增大十倍，暗示存在大量未被探测到的分子气体。
• 将Tully-Fisher关系作为诊断工具：Mestel模型预测的对数斜率1/3与观测结果一致，支持重子盘假说。

实验结果

研究问题

• RQ1 平坦星系旋转曲线能否通过大质量重子盘而无需引入非重子暗物质来解释？
• RQ2 何种表面质量密度分布能自然产生观测到的平坦旋转曲线，且能否由气态原星系的引力坍缩产生？
• RQ3 为何观测到的HI表面密度看似恒定，这是否反映了冷、不透明的原子和分子气体隐藏储库的存在？
• RQ4 观测到的Tully-Fisher关系斜率约1/3如何从重子盘动力学中自然产生，是否支持不存在暗物质晕的结论？
• RQ5 通过在盘中计入隐藏的重子组分，能否解决观测重子质量与大爆炸核合成预测之间的差异？

主要发现

• 一个表面质量密度分布符合Mestel恒定线速度模型的大质量重子盘，可在无需暗物质晕的情况下自然产生平坦旋转曲线。
• 观测到的恒定HI表面密度与光学厚度效应及分子气体形成起始相一致，暗示重子质量可能比以往估算高出约七倍。
• 大半径处的HI“截断”很可能标志着星系盘的真实边界，而非气体的截断，支持存在连续、大质量重子盘的观点。
• Tully-Fisher关系观测到的约1/3斜率可由Mestel模型自然重现，该模型假设恒定密度原星系云在角动量分布保持不变的条件下坍缩。
• 为解释旋转曲线所需的额外重子质量，恰好是使观测重子与大爆炸核合成预测相一致所需的量，从而消除了对温星际介质的需求。
• 该模型通过完全去除暗物质晕的需要，解决了星系动力学中的多个“协同”问题，如盘-晕协同问题和最大盘拟合问题。