[논문 리뷰] Evolution of globular-cluster systems of ultra-diffuse galaxies due to dynamical friction in MOND gravity

Michal Bílek, Hongsheng Zhao외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 133인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 N-body 시뮬레이션을 사용하여 고립된 초가벼한 은하(UDG) 내 구형은하(GC)에서 수정 뉴턴역학(MOND)의 천체역학적 마찰을 시험한다. Sánchez-Salcedo의 MOND 천체역학적 마찰 공식이 효과반경의 0.5 이상의 근점 거리를 가진 단일 GC에 대해 잘 작동함을 확인하였으며, GC 시스템이 코어 정지 현상으로 인해 핵성은하를 형성하는 것을 저지하여 주위 별들과 비교해 낮은 속도 분산을 유지함을 보여, MOND가 은하 척도의 천체역학에 타당함을 뒷받 underpin한다.

ABSTRACT

<i>Context.<i/> Dynamical friction can be used to distinguish Newtonian gravity and modified Newtonian dynamics (MOND) because it works differently in these frameworks. This concept, however, has yet to be explored very much with MOND. Previous simulations showed weaker dynamical friction during major mergers for MOND than for Newtonian gravity with dark matter. Analytic arguments suggest the opposite for minor mergers. In this work, we verify the analytic predictions for MOND by high-resolution <i>N<i/>-body simulations of globular clusters (GCs) moving in isolated ultra-diffuse galaxies (UDGs).<i>Aims.<i/> We test the MOND analog of the Chandrasekhar formula for the dynamical friction proposed by Sánchez-Salcedo on a single GC. We also explore whether MOND allows GC systems of isolated UDGs to survive without sinking into nuclear star clusters.<i>Methods.<i/> The simulations are run using the adaptive-mesh-refinement code Phantom of Ramses. The mass resolution is 20 <i>M<i/><sub>⊙<sub/> and the spatial resolution 50 pc. The GCs are modeled as point masses.<i>Results.<i/> Simulations including a single GC reveal that, as long as the apocenter of the GC is over about 0.5 effective radii, the Sánchez-Salcedo formula works excellently, with an effective Coulomb logarithm increasing with orbital circularity. Once the GC reaches the central kiloparsec, its sinking virtually stops, likely because of the core stalling mechanism. In simulations with multiple GCs, many of them sink toward the center, but the core stalling effect seems to prevent them from forming a nuclear star cluster. The GC system ends up with a lower velocity dispersion than the stars of the galaxy. By scaling the simulations, we extend these results to most UDG parameters, as long as these UDGs are not external-field dominated. We verify analytically that approximating the GCs by point masses has little effect if the GCs have the usual properties, but for massive GCs such as those observed in the NGC 1052-DF2 galaxy, further simulations with resolved GCs are desirable.

연구 동기 및 목표

• 초가벼운 은하(UDG) 내 구형은하(GC)에 대해 Sánchez-Salcedo가 제안한 체계적 마찰 공식의 MOND 유사체를 시험하기 위해.
• 고립된 UDG 내 GC 시스템이 MOND 중력 하에서 중심 핵성은하로 빠지지 않고 생존할 수 있는지 조사하기 위해.
• GC 질량 함수와 내부 역학이 MOND 하에서 GC 시스템의 진화에 미치는 영향 평가하기 위해.
• 특히 NGC1052-DF2와 같은 거대한 GC에 대해 시뮬레이션에서 점질량 근사가 타당한지 평가하기 위해.
• 특히 보조 융합 시나리오에서 MOND와 뉴턴 중력 간의 천체역학적 마찰 차이가 은하 진화에 미치는 영향 탐색하기 위해.

제안 방법

• 20 M⊙ 질량 해상도와 50 pc 공간 해상도를 갖춘 적응형 메쉬-정밀도 코드 Phantom of Ramses를 사용해 고해상도 N-body 시뮬레이션을 수행하였다.
• 고립된 UDG에서 깊은-MOND 조건을 가진 환경에서, GC를 점질량으로 모델링하여 MOND 중력 하에서 궤도 진화를 시뮬레이션하였다.
• Sánchez-Salcedo 공식을 적용해 MOND 천체역학적 마찰의 정확도를 시뮬레이션된 궤도 감쇠율과 비교하였다.
• 외부장 효과(EFE) 우세성이 없는 가정 하에, 스케일링 법칙을 사용해 광범위한 UDG 매개변수로 결과를 외삽하였다.
• 시뮬레이션과 분석적 추정치를 융합해 GC-GC 상호작용으로 인한 내부 에너지 변화의 역할을 평가하였다.
• 100억 년 동안 GC 시스템의 속도 분산 변화와 공간 분포 변화를 평가해 천체역학적 진화를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sánchez-Salcedo의 MOND 천체역학적 마찰 공식은 UDG 내 단일 구형은하의 궤도 감쇠를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ2 고립된 UDG 내 GC 시스템은 MOND에서 코어 정지 현상으로 인해 핵성은하를 형성하는 것을 피할 수 있는가?
• RQ3 특히 NGC1052-DF2의 것과 유사한 거대한 GC에 대해 GC-GC 상호작용은 MOND에서 GC 시스템의 침강에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MOND 시뮬레이션에서 점질량 근사는 타당한가, 아니면 내부 에너지 변화가 궤도 진화에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 탑형 은하를 포함한 보조 융합 시나리오에서 MOND의 천체역학적 마찰은 뉴턴 중력과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Sánchez-Salcedo의 MOND 천체역학적 마찰 공식은 근점 거리가 약 0.5 효과반경을 초과하는 한 단일 GC의 궤도 감쇠를 정확히 예측한다. 이때 효과적 쿨롱 로그가 궤도의 원형도에 따라 증가한다.
• GC가 중심 킬로파섹에 도달하면 코어 정지 메커니즘으로 인해 더 이상 침강하지 않으며, 은하 중심으로의 급속한 침입을 방지한다.
• 다중 GC 시뮬레이션에서 많은 클러스터가 중심으로 이동하지만, 코어 정지로 인해 핵성은하로 융합되지 않으며, 이는 주위 별 시스템보다 낮은 속도 분산을 유지함을 보여준다.
• 표준 질량 함수를 가진 시뮬레이션된 GC 시스템은 100억 년 동안 3.5 kpc에서 2 kpc의 3차원 반수반경으로 수축하여, 약 100억 년 전 형성 당시에는 거의 두 배로 더 넓게 퍼져 있었음을 시사한다.
• GC 시스템 내에서 질량 분리 현상이 관측되었으며, 더 무거운 클러스터가 더 빨리 내측으로 이동함을 나타내며, 이는 관측으로 검증 가능한 예측이다.
• NGC1052-DF2와 유사한 GC에 대해 GC-GC 상호작용은 약 절반의 클러스터에게 뉴턴 결합 에너지와 유사한 에너지를 전달할 것으로 예상되며, 이는 침강 속도를 가속화하고 핵성은하 형성 위험을 높일 수 있다. 이는 고해상도 GC 시뮬레이션의 필요성을 강조한다.