[论文解读] The maximum rotation of a galactic disc

Roelof Bottema|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jun 23, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通用关系，用于基于光度、表面亮度和颜色预测星系盘的最大旋转速度，采用由恒星速度弥散度推导出的固定质量-光度比。该模型表明，观测到的旋转速度低于理论最大值，暗示存在大量暗物质，尤其在低表面亮度星系（如NGC 1560和NGC 6503）中更为显著。

ABSTRACT

The observed stellar velocity dispersions of galactic discs show that the maximum rotation of a disc is on average 63% of the observed maximum rotation. This criterion can, however, not be applied to small or low surface brightness (LSB) galaxies because such systems show, in general, a continuously rising rotation curve until the outermost measured radial position. That is why a general relation has been derived, giving the maximum rotation for a disc depending on the luminosity, surface brightness, and colour of the disc. As a physical basis of this relation serves an adopted fixed mass-to-light ratio as a function of colour. That functionality is consistent with results from population synthesis models and its absolute value is determined from the observed stellar velocity dispersions. The derived maximum disc rotation is compared with a number of observed maximum rotations, clearly demonstrating the need for appreciable amounts of dark matter in the disc region and even more so for LSB galaxies. Matters have been illustrated for two examples; the galaxy NGC 6503 and LSB galaxy NGC 1560.

研究动机与目标

• 推导适用于所有星系盘（包括低表面亮度LSB系统）的星系盘最大旋转速度的通用关系。
• 解决以往基于恒星速度弥散度的判据在小质量或LSB星系中失效的问题，这些星系的旋转曲线持续上升。
• 通过比较观测到的最大旋转速度与理论预测值，量化星系盘区域对暗物质的需求。
• 利用星族合成模型和观测到的速度弥散度校准质量-光度比，确保物理一致性。
• 通过将模型应用于特定星系（包括NGC 6503和NGC 1560）来验证其有效性。

提出的方法

• 采用基于颜色的固定质量-光度比，该比值由星族合成模型校准。
• 利用观测到的恒星速度弥散度约束质量-光度比的绝对数值。
• 推导出将最大盘面旋转速度与光度、表面亮度和颜色关联起来的通用关系。
• 将该关系应用于预测星系盘的最大旋转速度，特别是具有上升旋转曲线的星系。
• 通过比较预测的最大旋转速度与观测到的最大旋转速度，推断暗物质含量。
• 使用两个示例星系验证模型：NGC 6503（典型盘状星系）和NGC 1560（LSB星系）。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于标准速度弥散度判据失效的系统，如何预测星系盘的最大旋转速度？
• RQ2 星系盘的光度、表面亮度、颜色与其最大旋转速度之间存在何种关系？
• RQ3 观测到的最大旋转速度与预测值之间的差异在多大程度上表明了暗物质的存在？
• RQ4 在正常星系与低表面亮度星系之间，所需暗物质的比例有何差异？
• RQ5 能否使用从速度弥散度校准出的一致质量-光度比来对多样化星系盘的旋转曲线进行建模？

主要发现

• 星系盘的观测最大旋转速度平均仅为基于恒星速度弥散度判据预测的理论最大旋转速度的63%。
• 所推导的关系成功预测了具有上升旋转曲线的星系（如LSB星系）的最大旋转速度，而以往方法在这些星系中失效。
• 对于低表面亮度星系NGC 1560，该模型显示出可见质量存在显著不足，表明盘区存在强烈的暗物质主导。
• 该模型证实，即使在NGC 6503等典型星系的盘区，也需要大量暗物质。
• 从速度弥散度推导出的质量-光度比与星族合成模型一致，支持该方法的物理解释有效性。
• 观测到的最大旋转速度与预测值之间的差异为星系盘中存在暗物质提供了有力证据，尤其在低表面亮度系统中更为显著。