[論文レビュー] Milky Way and Andromeda past-encounters in different gravity models: the impact on the estimated Local Group mass

David Benisty, Eduardo Guendelman+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、異なる重力モデルにおける時系列法（Timing Argument）を用いて、銀河団（M31）と天の川銀河の過去の遭遇が局所銀河団（LG）の質量推定値に与える影響を調査する。宇宙定数を含めると、LG質量推定値は35%増加し、1回の過去の遭遇があると9.99×10¹² M☉まで上昇する。MONDでは、少なくとも1回の遭遇が発生した場合にのみ、観測されたバリオン質量を再現可能であり、今後のシミュレーションや代替重力理論の検証のための基準となる。

ABSTRACT

The Two-body problem of $M31$ and the Milky Way (MW) galaxies with a Cosmological Constant background is studied, with emphasis on the possibility that they experienced Past Encounters. By implementing the Timing Argument (TA), it is shown that if $M{31}$ and the MW have had more than one encounter then the deduced mass of the Local Group (LG) would be larger. Past encounters are possible only for non-zero transverse velocity, and their viability is subject to observations of the imprints of such near collisions. Using a recent $Gaia$ - based measurement of the transverse velocity we show that the presence of the Cosmological Constant requires the mass for the LG to be $35\%$ higher: $3.36^{+1.14}_{-0.70} \cdot 10^{12} M_{\odot}$ with no Cosmological Constant or $4.54^{+1.20}_{-0.75} \cdot 10^{12} M_{\odot}$ with a Cosmological Constant background. If the LG has had one past encounter, the LG mass is $9.99^{+2.22}_{-1.58}\cdot 10^{12} M_{\odot}$ with a Cosmological Constant background. Modified Newtonian Dynamics (MOND) is studied as the accelerations of the Local Group are fully in the deep-MOND regime. MOND yields the order of magnitude for the expected baryonic mass only if at least one encounter occurred. While we only consider the LG as two point masses, our calculations provide a benchmark for future work with simulations to test Dynamical Friction and other effects. This model can be also used to test screening mechanisms and alternative theories of gravity.

研究の動機と目的

• 時系列法を用いて、天の川銀河とM31の過去の遭遇が局所銀河団（LG）の質量推定値に与える影響を評価すること。
• 2体問題の枠組みにおいて、宇宙定数がLG質量推定値に与える影響を評価すること。
• 深モンド領域における条件のもとで、修正ニュートン力学（MOND）が観測されたバリオン質量を説明できるかを検証すること。
• 今後の動的摩擦や代替重力理論を含むシミュレーションのための理論的基準を確立すること。
• 観測による横方向速度の制約が、過去の遭遇の発生を支持するか、および質量推定値に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 宇宙定数の背景を持つ2体問題として、天の川銀河とM31の運動をモデル化し、その軌道的ダイナミクスへの影響を評価する。
• 時系列法（TA）を用いて、M31および天の川銀河の径方向速度と横方向速度から、局所銀河団の全質量を導出する。
• M31の横方向速度の最近のGaia測定値を組み込み、過去の遭遇の可能性を制約する。
• 局所銀河団を2つの点質量として仮定し、軌道歴の解析的取り扱いを容易にする。
• 修正ニュートン力学（MOND）をこの系に適用し、深モンド領域における観測されたバリオン質量を再現できるかを評価する。
• 標準重力とMONDの両方の下で、遭遇履歴の有無に応じた質量推定値の比較を通じて、過去の遭遇が質量推定値に与える影響を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時系列法を用いる場合、宇宙定数を含めると局所銀河団の質量推定値にどのような影響を与えるか？
• RQ2 天の川銀河とM31が1回以上過去に遭遇した場合、局所銀河団に必要な最小質量はどの程度か？
• RQ3 修正ニュートン力学（MOND）は、少なくとも1回の過去の遭遇が発生した場合に、局所銀河団の観測バリオン質量を再現できるか？
• RQ4 横方向速度の測定値は、天の川銀河とM31の間の過去の遭遇の可能性をどのように制約するか？
• RQ5 過去の遭遇は、局所銀河団におけるスクリーニング機構や代替重力理論の検証にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• 宇宙定数を含めると、局所銀河団の質量推定値は35%増加し、宇宙定数なしでは3.36⁺¹.¹⁴₋₀.⁷⁰×10¹² M☉に対して、宇宙定数ありでは4.54⁺¹.²⁰₋₀.⁷⁵×10¹² M☉となる。
• 宇宙定数の背景のもとで、1回の過去の遭遇があると、局所銀河団の質量は顕著に増加し、9.99⁺².²²₋₁.⁵⁸×10¹² M☉まで上昇する。
• 修正ニュートン力学（MOND）では、少なくとも1回の過去の遭遇が発生した場合にのみ、局所銀河団のバリオン質量の順序オーダーの推定値が一貫して得られる。
• 過去の遭遇が成立するのは、M31に非ゼロの横方向速度がある場合に限られ、これは最近のGaia測定値によって支持されている。
• 本モデルは、今後のN体シミュレーションにおいて、動的摩擦やその他の非理想効果を検証するための理論的基準を提供する。
• 結果から、過去の遭遇が確認された場合、代替重力理論（例：MOND）が局所銀河団の動的歴史を通じて検証可能である可能性が示唆される。