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Morganti, Lucia (2012): Made-to-measure particle models of intermediate-luminosity elliptical galaxies: regularization, parameter estimation, and the dark halo of NGC 4494. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Dynamische Modelle sind wichtige Hilfsmittel, um aus projizierten Beobachtungsdaten auf die Massenverteilung und die Phasenraumstruktur von Galaxien zu schließen, und dabei ihre Entstehungs- und Entwicklungsprozesse zu verstehen. Eine relativ neue und vielversprechende Technik, dynamische Modelle zu konstruieren, ist die “made-to-measure” Methode, bei der ein System von Teilchen sukzessive einer beobachteten Lichtverteilung und gemessenen projizierten stellaren Kinematik angeglichen wird. Da die intrinsische, dreidimensionale Struktur der Modelle dann bekannt ist, können sie verwendet werden, um die Massenverteilung und Bahnstruktur der Galaxie zu verstehen. In dieser Arbeit verwenden wir den “made-to-measure particle” Code NMAGIC, um die spezielle Klasse der schwach im Röntgenbereich strahlenden elliptischen Galaxien von mittlerer Leuchtkraft zu erforschen, deren Geschwindigkeitsdispersionsprofile stark mit dem Radius abfallen, was auf sehr diffuse dunkle Materie Halos hindeutet, die möglicherweise in Konflikt zu Vorhersagen von Galaxienentstehungsmodellen stehen. Im ersten Teil der Arbeit führen wir eine “moving prior” Regularisierungsmethode in NMAGIC ein, welche eine korrekte und von systematischen Fehlern freie Rekonstruktion der dynamischen Struktur der beobachteten Galaxie ermöglicht. Im sphärischen Fall, in welchem theoretisch eine eindeutige Invertierung der Daten möglich ist, zeigen wir, dass NMAGIC mit der neuen Regularisierungsmethode die Verteilungsfunktion und intrinsische Kinematik einer Zielgalaxie (mit idealen Daten) mit hoher Genauigkeit reproduziert, unabhängig von der ursprünglich als Startmodell gewählten Teilchenverteilung. Weiterhin untersuchen wir, wie sich unvollständige und verrauschte kinematische Daten auswirken, und kommen zu dem Schluss, dass die Zuverläßigkeit der Modelle auf Gebiete mit guten Beobachtungsdaten beschränkt ist. Schließlich werden mit einer Version der moving-prior Regularisierung für axialsymmetrische Systeme die am besten passenden NMAGIC Modelle der zwei elliptischen, mittelstark leuchtenden Galaxien NGC 4697 und NGC 3379 aus früheren Arbeiten rekonstruiert, um einen glatteren Fit an die Beobachtungsdaten zu erhalten. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir die rätselhafte elliptische Galaxie NGC 4494 mittlerer Leuchtkraft. Wir konstruieren axialsymmetrische NMAGIC Modelle mit unterschiedlichen dunkle Materie Halos und Inklinationen, um etwas über ihre Massenverteilung und Bahnstruktur zu erfahren. Die Modelle werden eingegrenzt durch Radialgeschwindigkeiten von planetarischen Nebeln und kinematischen Absorptionsliniendaten in “slitlets”, was uns ermöglicht, zu erforschen, bei welchen Radien die dunkle Materie anfängt zu dominieren bzw. Spuren des Entstehungsmechanismus sichtbar werden. Mit geeigneten Monte-Carlo-Simulationen bestimmen wir mit NMAGIC die ��Werte verschiedener Konfidenzniveaus für die Schätzung der Parameter der dunklen Halos und finden andere Werte, als in der Literatur über dynamische Modellierung normalerweise verwendet. Unsere best-fit NMAGIC Modelle für NGC 4494 innerhalb dieser Konfidenzniveaus schließen einen diffusen dunklen Halo aus; sie haben einen Anteil dunkler Materie von ungefähr 0, 6±0, 1 bei 5 Effektivradien und eine näherungsweise flache (konstante) totale Kreisgeschwindigkeit von � 220 km/s außerhalb des Effektivradius. Die Anisotropie der Sternbahnen ist mässig radial. Diese Ergebnisse sind unabhängig von der angenommenen Inklination der Galaxie, aber edge-on Modelle werden bevorzugt. Schließlich vergleichen wir die dunklen und stellaren Halos von den bisher modellierten elliptischen Galaxien mittlerer Leuchtkraft und folgern, dass ihre Kreisgeschwindigkeiten ähnlich sind. Die genaue Wechselwirkung zwischen dunkler und leuchtender Materie war während der Entstehung jeder Galaxie wahrscheinlich unterschiedlich – und NGC 4494 zeigt einen besonders hohen Anteil an dunkler Materie, speziell im Zentrum, was vielleicht das Ergebniss vergangener Verschmelzungsereignisse sein könnte.

Abstract

Dynamical models are an important tool to infer the mass distribution and phase-space structure of galaxies from projected observational data, and thereby learn about the processes driving their formation and evolution. A recent and promising technique to build dynamical models is through made-to-measure particle methods, in which a system of particles is trained to match the observed light distribution and projected stellar kinematics of a galaxy. Because the intrinsic, three-dimensional structure of such models is then known, they can be used to understand the mass distribution and orbital structure of the galaxy. In this thesis we use the made-to-measure particle code NMAGIC to investigate the particular class of X-ray-faint, intermediate-luminosity elliptical galaxies, whose velocity dispersion profiles decline strongly with radius, suggesting very diffuse dark matter halos in possible tension with the predictions of galaxy formation models. In the first part of the work, we introduce a moving prior regularization method in NMAGIC which facilitates a correct and unbiased recovery of the dynamical structure of the observed galaxy. In the spherical case in which theoretically a unique inversion of (idealized) data exists, we show that NMAGIC with the new regularization method recovers the distribution function and intrinsic kinematics of the target galaxy with high accuracy, independent of the initial particle model. We then investigate the effects of less complete and noisier kinematic data, and conclude that the reliability of the models is limited to those regions in which good observational constraints exist. A version of the moving prior regularization suited for axisymmetric systems is then used to reconstruct the best-fitting NMAGIC models determined in previous works for the two intermediate-luminosity elliptical galaxies NGC 4697 and NGC 3379, obtaining smoother fits to the observational data. In the second part of the work, we explore the enigmatic intermediate-luminosity elliptical galaxy NGC 4494. We construct axisymmetric NMAGIC models with different dark matter halos and inclinations, in order to learn about its mass distribution and orbital structure. The kinematic constraints include radial velocities of Planetary Nebulae and absorption line kinematics data in slitlets, and allow us to probe those radii where dark matter starts to dominate and the imprint of formation mechanisms becomes apparent. Using suitable Monte Carlo simulations, we determine the �various confidence levels for the estimation of the dark halo parameters with NMAGIC, and find that these are different from the values usually employed in the dynamical modeling literature. Our best-fitting NMAGIC models for NGC 4494 within these confidence levels rule out a diffuse dark halo; they have a dark matter fraction of about 0.6 ± 0.1 at 5 effective radii, and an approximately flat total circular velocity � 220 km/s outside 1 effective radius. The orbital anisotropy of the stars is moderately radial. These results are independent on the assumed inclination of the galaxy, but edge-on models are preferred. Finally, we compare the dark and stellar halos of the intermediate-luminosity ellipticals modeled so far, and conclude that their circular velocity curves are similar. The detailed interaction between dark and luminous matter during galaxy formation was probably different for each galaxy, and NGC 4494 shows a particularly high dark matter fraction, especially in the center, which might be a reminiscence of merger events.