[論文レビュー] Stellar streams as gravitational experiments II. Asymmetric tails of globular cluster streams

Guillaume F. Thomas, Benoît Famaey+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、強い等価原理を破る外部場効果（EFE）によって、ペーロマル5のような球状星団からの潮汐腕が修正ニュートン力学（MOND）において特徴的な非対称性を示すかどうかを調査する。Phantom of Ramsesコードを用いたN体シミュレーションの結果、MONDでは、追従腕とは対照的に、はるかに短く、質量も小さく、ぼんやりとした先行腕が予測される。その結果、粒子数比は0.7–0.82にまで低下する。一方、ニュートン的力学では腕は対称的である。この非対称性は、MONDにおける非対称な有効ポテンシャルに起因し、暗黒物質の小さなハローまたはGMCとの衝突を仮定しなくても、MONDとニュートン的モデルを区別する観測的テストの可能性を提供する。

ABSTRACT

Kinematically cold tidal streams of globular clusters (GC) are excellent tracers of the Galactic gravitational potential at moderate Galactocentric distances, and can also be used as probes of the law of gravity on Galactic scales. Here, we compare for the first time the generation of such streams in Newtonian and Milgromian gravity (MOND). We first compute analytical results to investigate the expected shape of the GC gravitational potential in both frameworks, and we then run N-body simulations with the Phantom of Ramses code. We find that the GCs tend to become lopsided in MOND. This is a consequence of the external field effect which breaks the strong equivalence principle. When the GC is filling its tidal radius the lopsidedness generates a strongly asymmetric tidal stream. In Newtonian dynamics, such markedly asymmetric streams can in general only be the consequence of interactions with dark matter subhalos, giant molecular clouds, or interaction with the Galactic bar. In these Newtonian cases, the asymmetry is the consequence of a very large gap in the stream, whilst in MOND it is a true asymmetry. This should thus allow us in the future to distinguish these different scenarios by making deep observations of the environment of the asymmetric stellar stream of Palomar 5. Moreover, our simulations indicate that the high internal velocity dispersion of Palomar 5 for its small stellar mass would be natural in MOND.

研究の動機と目的

• 本論文の目的は、MONDにおける外部場効果（EFE）が、低質量球状星団からの潮汐腕に観測可能な非対称性を生じるかどうかを検証することである。
• このような非対称性が、通常は小さなハローの衝突などの破壊的イベントを要するニュートン的力学とは異なり、MONDとニュートン的モデルを区別できるかどうかを調査することである。
• 本研究では、運動温度が低く、きめ細やかな星の集まりであるペーロマル5を、MOND予測を検証するためのモデルとして焦点とする。
• 低星質量にもかかわらず、ペーロマル5で観測された高い速度分散が、MONDで自然に説明できるかどうかを検討することである。
• モデル間でのストリームの形状と粒子分布が、MONDとニュートン的枠組みで系統的にどのように異なるかを評価することを目的とする。

提案手法

• 著者たちは、Phantom of Ramsesコードを用いたN体シミュレーションを用い、ペーロマル5に類似した球状星団の前身天体を、MONDとニュートン的重力の両方でモデル化する。
• 初期条件を同一にしたもとで、MONDとニュートン的モデルにおけるストリームの形状、粒子分布、速度分散を比較する。
• シミュレーションには、外部銀河場によるクラスタ内部ポテンシャルに影響を与えるEFEを含める。
• 非対称性の原因を理解するために、有効ポテンシャルを解析的に計算する。
• 観測可能なストリーム粒子数を推定するために、31.5 mag.arcsec⁻²の検出閾値を適用する。
• ペーロマル5の観測結果と比較することで、残骸の星質量、密度プロファイル、速度分散の観点からモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MONDにおける外部場効果は、球状星団に非対称な有効ポテンシャルを生じさせ、非対称な潮汐腕の形成を引き起こすか？
• RQ2 低質量球状星団において、MONDとニュートン的力学の間で、先行腕と追従腕の粒子分布はどのように異なるか？
• RQ3 特に、先行腕が空虚であるというペーロマル5のストリームの観測された非対称性は、暗黒物質の小さなハローまたはGMCの存在を仮定せずに、MONDで説明可能か？
• RQ4 低星質量であるにもかかわらず、ペーロマル5の高い内部速度分散が、MONDで自然に再現可能か？
• RQ5 MONDのストリームにおける非対称性は、常に先行腕にのみ影響を及ぼし、特徴的な観測的シグネイチャを提供するか？

主な発見

• MONDでは、外部場効果によって生じる非対称な有効ポテンシャルのため、先行腕の粒子数が追従腕より18–30%少なく、粒子数比が0.7から0.82にまで低下する。
• 先行腕は、追従腕よりも著しくぼんやりとしており、質量も小さいため、物理的な非対称性がストリームの流出に現れている。これは、ニュートン的モデルとは異なり、腕が対称的であることを意味する。
• MONDにおける残骸の球状星団の速度分散は、ニュートン的シミュレーションと比べて顕著に高く、観測されたペーロマル5の高い分散とよりよく一致する。
• MONDにおける非対称性は、強い等価原理の破れに起因し、外部銀河場がクラスタ内部の力学に影響を与えることによって生じる。
• ニュートン的力学では、このような顕著な非対称性は、暗黒物質の小さなハローまたはGMCとの衝突といった破壊的イベントを要するが、その場合、ストリームに大きなギャップが生じる。一方、MONDでは、滑らかで非対称な流出が生じる。
• 本研究では、将来的なペーロマル5周辺の深宇宙観測によって、ギャップの欠如と先行腕の系統的欠損の確認が可能となり、MONDとニュートン的シナリオを区別できる可能性があると示唆している。