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第 5 章　近傍銀河の性質 (SDSS 以前）

第 5 章　近傍銀河の性質 (SDSS 以前）. 数個から 1000 個のオーダーのサンプルに基づいて銀河の性質の研究が進められていた時代. 5.1 銀河の形態分類. 星に比べれば銀河研究の歴史は浅い. 銀河天文学の最初の体系的な教科書. Bible No.1. E.P.Hubble 1936, ‘The Realm of the Nebulae’ (New Haven: Yale University Press). 1982 edition. The Hubble Atlas of Galaxies. Bible No.2.

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第 5 章　近傍銀河の性質 (SDSS 以前）

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  1. 第5章　近傍銀河の性質 (SDSS以前） 数個から1000個のオーダーのサンプルに基づいて銀河の性質の研究が進められていた時代

  2. 5.1 銀河の形態分類

  3. 星に比べれば銀河研究の歴史は浅い 銀河天文学の最初の体系的な教科書 Bible No.1 E.P.Hubble 1936, ‘The Realm of the Nebulae’ (New Haven: Yale University Press) 1982 edition

  4. The Hubble Atlas of Galaxies Bible No.2 Preface vii (April 1959)Galaxies 1Description of Classification 7……. What are galaxies? No one knew before 1900. Very few people knew in 1920. All astronomers knew after 1924. Galaxies are the largest single aggregates of stars in the universe. They are to astronomywhat atoms are to physics. Each galaxy is a stellar system somewhat like our Milky Way, and isolated from its neighbors by nearly empty space. In popular terms, each galaxy is a separate ‘island universe’ unto itself. ………………………… Allan Sandage 1961, Carnegie Institution of Washington. ……… Paraphrasing one of Hubble’s own comments: The solution of the cosmological problem is an achievement reserved for great telescopes. As telescopes and techniques improve, astronomers eventually reach a critical barrier of ignorance. In due course this barrier falls. The breach, when open, permits all to follow.

  5. 銀河は宇宙の基本構成要素 Galaxies are the largest single aggregates of stars in the universe. They are to astronomywhat atoms are to physics. (Allan Sandage 1961, ‘The Hubble Atlas of Galaxies) 研究の歴史が浅い >103 の規模の違い

  6. >103 の規模の違い giant galaxies vs dwarf galaxies 規模の違いは一目瞭然 dwarf galaxies はその暗さ、面輝度の低さのために、局部銀河群メンバー以外はあまり研究されていなかった Sandage らによるVirgo ClusterのLas Campanas Survey (1979-86) Du Pont 望遠鏡で若松氏が撮影した大型写真乾板からのコピー 矮小銀河研究の金字塔 Ichikawa, Wakamatsu, Okamura 1986, ApJS, 60, 475

  7. 銀河はさまざまな形をしている

  8. 晩期型 早期型 early late 　　　　形態分類(morphological classification) 伝統的には眼視による判定 パロマーシュミットとハッブル 仮説的存在 ハッブルの音叉図 (1936)Tuning fork diagram http://www.aip.org/history/esva/catalog/esva/Hubble_Powell.html 近年はさまざまな手法による自動化

  9. Sloan Digital Sky Survey (SDSS) による

  10. 改訂ハッブル分類 S0 S I E 円盤銀河 SA(s)c, SB(r)a, SAB(rs)bc などと表記 S, S0: disk galaxies （円盤銀河）

  11. 定量パラメータによる形態分類（現在最も広く使われている手法）定量パラメータによる形態分類（現在最も広く使われている手法） 中心集中度 表面輝度 像の非対称度 中心集中度 Abraham et al. 1994, ApJ, 432, 75 1996, ApJS, 107,1Yagi et al. 2006, MNRAS, 368, 211 Doi et al. 1993, MNRAS, 264, 832

  12. その他の手法を用いた最近のもの（参考までに）その他の手法を用いた最近のもの（参考までに） Kelly and McKay 2004, ‘’Morphological Classification of Galaxies by Shapelet Decomposition in the Sloan Digital Sky Survey’’, AJ, 127, 625. Kelly and McKay 2004, ‘’Morphological Classification of Galaxies by Shapelet Decomposition in the Sloan Digital Sky Survey. II. Multiwavelength Classification’’, AJ, 129, 1387. Lotz et al. 2004, “A New Nonparametric Approach to Galaxy Morphological Classification”, AJ, 128, 163.（Gini parameter と M20 パラメータ） Yamauchi et al. 2005, ‘’Morphological Classification of Galaxies Using Photometric Parameters: The Concentration Index versus the Coarseness Parameter ‘’, AJ, 130, 1545 Scarlata et al. 2007, ApJS, 172, 406, “COSMOS Morphological Classification with the Zurich Estimator of Structural Types (ZEST) and the Evolution Since z = 1 of the Luminosity Function of Early, Disk, and Irregular Galaxies” Shamir, L. 2009, MNRAS, 399, 1367, "Automatic morphological classification of galaxy images"

  13. 矮小銀河の分類 UFD (Ultra Faint Dwarf) dE, dS0, dSph:　星生成活動なし dIrr: 星生成活動あり BCD : 活発な星生成活動 (BCD = blue compact dwarf) まだ十分確立されていない Sandage and Binggeli 1984, AJ, 89, 919

  14. 形態と物理量の間には相関がある G. de Vaucouleursの形態型指数 形態分類の定量化

  15. 形態ともっとも相関の良い物理量

  16. 形態と物理量の相関の原因

  17. 5.2 銀河は自己重力系

  18. 自己重力系 自分自身の内部運動と自己重力が釣り合って定常的な形を保っている系 内部運動 ・円盤銀河のディスクでは回転が卓越し、無秩序な運動（速度分散：圧力）は無視できるくらい小さい。　（ただし、円盤に垂直方向の構造には速度分散が効く） ・楕円銀河や円盤銀河のバルジでは、　無秩序な運動（速度分散：圧力）が無視できない。

  19. 　楕円銀河とバルジの力学特性 回転（遠心力）が卓越速度分散（圧力）は小さい 速度分散（圧力）が回転（遠心力）に比べて無視できない

  20. 視線 視線 銀河の内部運動の観測 早期型銀河 渦巻銀河 ・ 吸収線による観測（輝線はない）・ 銀河全体にわたる情報　（吸収線の中心波長、幅、強度） ・ 観測は渦巻銀河より遙かに困難Fourier Quotient Method(Schechter & Gunn 1979, ApJ, 229, 472) ・ 輝線による観測・ ディスクの回転運動　（輝線の中心波長）・ ディスクの速度分散　 は小さい HII 領域

  21. 半径 青 [NII] 波長 Hα [NII] 赤 半径 渦巻銀河の回転曲線 スリット 復習 スリット

  22. 早期型銀河の回転曲線と速度分散曲線 吸収線強度 スリット位置 速度分散 スリット位置 回転速度 早期型銀河（E, S0）では速度分散が回転に比べて無視できない 半径 Illingworth and Schechter 1982, ApJ, 256, 481

  23. 5.3 銀河の表面輝度分布

  24. 銀河の基本構造 ハロー ハロー 楕円体成分(spheroidal component) バルジ バルジ ディスク 円盤成分(disk component) ディスク 渦巻銀河(NGC4594) 楕円銀河には円盤成分がない ダークマターハロー 楕円銀河(NGC4278)

  25. 銀河の表面輝度分布 de Vaucouleurs’ law(1/4 – power law) 楕円銀河も スケールパラメータ Exponential law ハロー成分はfaintなので、詳しく調べられなかった

  26. 5.4 新しい時代の兆候 1980-1990年代 少なくとも数10個のサンプルが常識になった時代

  27. 「科学」 55巻, 10号　（1985年10月） 特集：宇宙の誕生と天体の形成

  28. 銀河形成論が説明すべき銀河の基本的性質 (1) 銀河は1-100 kpc, 106-1011 Lsun を持つ宇宙の基本構成要素 (2) 光度関数の明るい部分は指数関数、暗い部分は冪関数 (3) 銀河には見えている物質の10倍以上のダークマターハローが付随 (4) 銀河はさまざまな形態を示す (5) 形態－密度相関がある。形態と銀河の規模にも相関 (6) 明るい楕円銀河は回転が遅く、暗い楕円銀河は回転が速いまた、円盤銀河のバルジは楕円銀河とは異なる力学特性を有する (7) 矮小楕円銀河は巨大楕円銀河と異なった光度分布を示す (8) 楕円銀河にも渦巻銀河にも共通して光度(L)と内部運動速度(V) 　　の間にL~V4が成り立つ (9) 早期型銀河に色－絶対等級の相関がある相関がある（書き忘れた！） (10) 光度（質量）－金属量の相関がある（書き忘れた！） (1), (2), (4) 以外は全て1970年代後半以降の発見である！ 岡村定矩 、「銀河形成論の課題」、岩波「科学」1985年10月号

  29. 最終章「銀河形成論の課題」の最終部分 銀河の新しい観測の歩みは、世界の4m級の大望遠鏡がフル稼働をはじめ、電子技術を駆使した高性能観測装置が天文学に利用され始めた大きな流れと歩調を合わせているのである。 （中略） 　銀河の性質や宇宙の大規模構造に関する本質的に新しい観測は、おそらく現存する大望遠鏡の能力をはるかに上回る新世代の望遠鏡によってなされるであろう。ダークハローの大局分布（銀河の分布がみえない物質の分布をどのくらい反映しているかはまだわかっていない）、宇宙の大規模構造に伴う宇宙膨張からのズレの特異速度場のマッピング、銀河の構造パラメータと大規模構造との関連の解明（これには銀河の形態分類に代わる定量分類が有効な手段となろう）、さらには宇宙初期における銀河の誕生過程の直接観測など、新世代望遠鏡の果たすべき役割は大きい。 岡村定矩 、「銀河形成論の課題」、岩波「科学」1985年10月号

  30. 1970年代後半以降の発見の概観 ・ダークマターハロー （既出 2.7） ・力学質量と光学質量の比較 - 渦巻銀河のflat rotation curve -　楕円銀河の周りの高温ガスのX線ハロー・重力レンズ効果 ・Morphology-Density Relation （形態 - 密度相関） ・楕円銀河とバルジの力学特性 ・矮小楕円銀河と巨大楕円銀河 ・タリーフィッシャー関係とDn-σ関係 ・早期型銀河の色－等級関係 ・光度（質量）－金属量の相関

  31. こちらの方がだいぶ大きい この差がダークマター 星（とガスなどの星間物質）の質量を足し合わせる 光学質量 復習 (2.7) ダークマターハロー存在の証拠 力学質量と光学質量の比較 分光観測 星の速度 運動 釣り合っている 力学質量 ビリアル定理 重力

  32. 渦巻銀河の平坦な回転曲線 復習 (2.7) (Flat Rotation Curve) パリティ　2007年7月号　(V.C.Rubin, Physics Today, Vol. 59, No.12, 2006) ほとんど全ての渦巻き銀河で同じ現象が見られる Rubin et al. 1980, ApJ, 238, 471

  33. 重力レンズ効果による質量推定 強い重力レンズ効果 アーク、アインシュタインリング、クェーサーの多重像など シリーズ現代の天文学　第4巻「銀河I」　(8章　高田昌広)　日本評論社 東大グループのプレスリリースhttp://www-utap.phys.s.utokyo.ac.jp/press/lens/N. Inada, et al., Nature, 426, 810 (2003)

  34. 1970年代後半以降の発見の概観 ・ダークマターハロー （既出） ・力学質量と光学質量の比較 - 渦巻銀河のflat rotation curve -　楕円銀河の周りの高温ガスのX線ハロー・重力レンズ効果 ・Morphology-Density Relation （形態 - 密度相関） ・楕円銀河とバルジの力学特性 ・矮小楕円銀河と巨大楕円銀河 ・タリーフィッシャー関係とDn-σ関係 ・早期型銀河の色－等級関係 ・光度（質量）－金属量の相関

  35. Morphology-Density Relation 形態－密度相関 Dressler 1980, ApJ, 236, 351 ～6000 galaxies in 55 clusters local (surface) density　　　局所数密度 10 (projected) nearest neighborsの占める面積から計算 Field contaminationを補正 単位 galaxies・Mpc-2 これ以降の研究の標準的なツール

  36. ~6000銀河を3種類の形態(E, S0, S+Irr)に大別 高密度環境になるにつれて ・ S+Irr は減少・ S0は増加・ Eは増加（最も高密度で） well-behaved relationshipover 5 orders of magnitudes 先天説　vs 後天説nature or nurture? Dressler 1980, ApJ, 236, 351

  37. ‘A New Classification System for Galaxies’ 改訂DDO分類 van den Bergh 1976, ApJ, 206, 883. 観測面から「環境効果」に注目した初めての論文 銀河団中にある渦巻銀河の渦巻腕はコントラストが低く、弱々しく見える。 S0銀河の起源 Transition theory anemic spirals (anemia=貧血症) Parallel-sequence theory

  38. 1970年代後半以降の発見の概観 ・ダークマターハロー （既出） ・力学質量と光学質量の比較 - 渦巻銀河のflat rotation curve -　楕円銀河の周りの高温ガスのX線ハロー・重力レンズ効果 ・Morphology-Density Relation （形態 - 密度相関） ・楕円銀河とバルジの力学特性 ・矮小楕円銀河と巨大楕円銀河 ・タリーフィッシャー関係とDn-σ関係 ・早期型銀河の色－等級関係 ・光度（質量）－金属量の相関

  39. 復習 　楕円銀河とバルジの力学特性 回転（遠心力）が卓越速度分散（圧力）は小さい 速度分散（圧力）が回転（遠心力）に比べて無視できない

  40. 復習 早期型銀河の回転曲線と速度分散曲線 吸収線強度 スリット位置 速度分散 σ スリット位置 Vm 早期型銀河（E, S0）では速度分散が回転に比べて無視できない 回転速度 半径 Illingworth and Schechter 1982, ApJ, 256, 481

  41. 楕円銀河とバルジの力学特性 等方的速度分散モデル Rapid rotator vsSlow Rotator (軟式テニスボール) 暗い楕円銀河 = 明るい楕円銀河 最大回転速度 バルジ = 小さな楕円銀河 Slow Rotatorの速度分散は非等方である。 平均速度分散 Davies et al. 1983, ApJ, 266, 41

  42. Boxy E と Disky E アイソフォト（等輝度線）を角度θでフーリエ展開したときの cos 4θ成分をa(4)と書く a(4)>0disky a(4)<0boxy Bender et al. 1988, Astr. Ap. Suppl., 74, 385

  43. boxy E disky E Boxy E vs Disky E この曲線から離れる度合い Bender et al. 1988, Astr.Ap., 193, L7

  44. 1970年代後半以降の発見の概観 ・ダークマターハロー （既出） ・力学質量と光学質量の比較 - 渦巻銀河のflat rotation curve -　楕円銀河の周りの高温ガスのX線ハロー・重力レンズ効果 ・Morphology-Density Relation （形態 - 密度相関） ・楕円銀河とバルジの力学特性 ・矮小楕円銀河と巨大楕円銀河 ・タリーフィッシャー関係とDn-σ関係 ・早期型銀河の色－等級関係 ・光度（質量）－金属量の相関

  45. Virgo dE Sa-Sbc 以下のパネルの破線 Virgo dE E Sc-Sd Virgo dE Virgo dE S0 Sdm-Irr Virgo dE Virgo dE 矮小楕円銀河と巨大楕円銀河 Ichikawa, Wakamatsu, Okamura 1986, ApJS, 60, 475 矮小楕円銀河の扁平度分布 dE の面輝度分布は円盤銀河（薄いディスク）と同じ指数法則に従う。 しかしdE は円盤銀河ほど薄くない 両者は異なる構造（異なる成因）

  46. 銀河の構造と形成過程の手がかり Scaling Relation コアがある楕円銀河 球状星団 巨大楕円銀河 中心の面輝度 矮小楕円銀河(dE+dSph) 渦巻銀河 不規則銀河(Im) 絶対等級（B バンド） Kormendy et al. 2009, ApJS, 182, 216

  47. 1970年代後半以降の発見の概観 ・ダークマターハロー （既出） ・力学質量と光学質量の比較 - 渦巻銀河のflat rotation curve -　楕円銀河の周りの高温ガスのX線ハロー・重力レンズ効果 ・Morphology-Density Relation （形態 - 密度相関） ・楕円銀河とバルジの力学特性 ・矮小楕円銀河と巨大楕円銀河 ・タリーフィッシャー関係とDn-σ関係 ・早期型銀河の色－等級関係 ・光度（質量）－金属量の相関

  48. 距離指標関係 Distance Indicator Relations (DIRs) 距離に依存して変わる観測量と距離に依存しない観測量の間の相関関係 ・距離に依存して変わる観測量（見かけの等級、大きさなど） この関係が宇宙のどの場所でも普遍的に成り立つと仮定すれば、銀河の距離を求める手段となる。 ・距離に依存しない観測量（回転速度、色など）

  49. タリー - フィッシャー関係 ‘A new method of determining distances to galaxies’, Tully and Fisher 1977, A&Ap, 54, 661 渦巻銀河の円盤の回転速度と絶対等級の間の相関関係 Local calibrators 実際には、single-dishの電波望遠鏡で銀河のHI 21cm輝線を観測した時の速度幅（に傾斜角の補正をしたもの）を回転速度の指標として用いた。 電波望遠鏡のビームサイズ 明るさ（等級） 速度幅

  50. フェイバー - ジャクソン関係 Dn - σ 関係 楕円銀河の特定の面輝度(n mag arcsec-2)における直径と絶対等級の関係（フェイバー・ジャクソン関係の改訂版） 楕円銀河の中心の速度分散と絶対等級の関係 ‘Velocity dispersions and mass-to-light ratios for elliptical galaxies’, Faber and Jackson 1976, ApJ, 204, 668 ‘Spectroscopy and photometry of elliptical galaxies. I - A new distance estimator’, Dressler et al. 1987,, ApJ, 313, 42 Faber-Jackson Dn – σ log σ log σ log Dn 等級(BT)

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