[논문 리뷰] Stellar streams as gravitational experiments II. Asymmetric tails of globular cluster streams

Guillaume F. Thomas, Benoît Famaey외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 06.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 62인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 페르소나 5와 같은 구형별집단의 thủy문이 수정 뉴턴역학(MOND)에서 외부장효과(EFE)로 인해 강한 등가원리가 깨지는 상황에서 특징적인 비대칭성을 보이는지 조사한다. Phantom of Ramses 코드를 사용한 N-body 시뮬레이션을 통해 저질량 구형별집단의 흐름에서 MOND는 뒷줄기보다 앞줄기를 현저히 짧고 가벼우며 흐린 형태로 예측하며, 입자 수 비율이 0.7–0.82로 나타나는 비대칭성을 보인다. 반면 뉴턴역학에서는 줄기가 대칭적이다. 이러한 비대칭성은 MOND에서 비대칭적인 효과적 위치에너지에 기인하며, 어두운 물질의 준구조체나 분자구름(GMC)이 개입하지 않는 한 MOND와 뉴턴모델을 관측적으로 구별할 수 있는 잠재적 방법을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• . 논문은 MOND에서 외부장효과(EFE)가 낮은 질량의 구형별집단에서 유도하는 관측 가능한 비대칭성을 테스트하고자 한다.
• . 이러한 비대칭성이 어두운 물질 준구조체나 분자구름(GMC)의 충돌 등 파괴적 사건이 필요로 하는 뉴턴역학과는 달리, MOND에서 어떻게 발생하는지 조사하고자 한다.
• . 연구는 운동학적으로 차가운 낮은 질량의 항성계에서 MOND 예측을 테스트하기 위한 프로토타입으로 페르소나 5에 집중한다.
• . 저질량의 항성 질량에도 불구하고 페르소나 5에서 관측된 높은 속도 분산이 MOND에서 자연스럽게 어떻게 재현되는지 조사하고자 한다.
• . 연구 목표는 MOND와 뉴턴 프레임워크 간에 흐름의 형태와 입자 분포가 체계적으로 어떻게 다를지 평가하는 데 있다.

제안 방법

• . 저자들은 Phantom of Ramses 코드를 사용한 N-body 시뮬레이션을 통해 MOND와 뉴턴 중력에서 페르소나 5와 유사한 구형별집단 원형체의 tidal 붕괴를 모델링한다.
• . 동일한 초기 조건 하에서 MOND와 뉴턴 모델 간의 흐름 형태, 입자 분포, 속도 분산을 비교한다.
• . MOND에서는 외부 은하계 중력장으로 인해 별집단 내부 위치에너지가 수정되는 외부장효과(EFE)를 포함한다.
• . 비대칭성의 기원을 이해하기 위해 별집단의 효과적 위치에너지가 해석적으로 계산된다.
• . 관측 가능한 흐름 입자 수를 추정하기 위해 31.5 mag.arcsec⁻²의 감도 기준이 적용된다.
• . 모델은 퇴적된 별집단의 항성 질량, 밀도 프로파일, 속도 분산을 페르소나 5의 관측치와 비교하여 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . MOND에서 외부장효과는 비대칭적인 효과적 위치에너지를 유도하여 구형별집단의 비대칭적인 tidal 흐름 형성을 초래하는가?
• RQ2 . 낮은 질량의 구형별집단에서 MOND와 뉴턴역학 간에 앞줄기와 뒷줄기의 입자 분포는 어떻게 다를까?
• RQ3 . 특히 앞줄기가 빈약한 페르소나 5 흐름의 관측된 비대칭성은 어두운 물질 준구조체나 분자구름(GMC)을 도입하지 않고도 MOND로 설명될 수 있는가?
• RQ4 . 낮은 항성 질량에도 불구하고 페르소나 5의 높은 내부 속도 분산이 MOND에서 자연스럽게 재현되는가?
• RQ5 . MOND 흐름의 비대칭성은 앞줄기만 체계적으로 영향을 받는가? 이는 고유한 관측적 서명을 제공하는가?

주요 결과

• . MOND에서는 외부장효과로 인한 비대칭적인 효과적 위치에너지로 인해 앞줄기의 입자 수가 뒷줄기보다 18–30% 적게 분포하며, 입자 수 비율이 0.7에서 0.82 사이로 나타난다.
• . 앞줄기는 뒷줄기보다 현저히 흐릿하고 덜 질량이 많아, 뉴턴 모델에서의 대칭성과는 달리 흐름의 분포에서 진정한 비대칭성을 나타낸다.
• . MOND에서 잔여 구형별집단의 속도 분산은 뉴턴 시뮬레이션보다 현저히 높아, 페르소나 5의 관측된 높은 분산과 더 잘 일치한다.
• . MOND에서의 비대칭성은 강한 등가원리의 위반으로 인해 발생하며, 이는 외부 은하계 장으로 인해 별집단의 내부 역학이 수정되기 때문이다.
• . 뉴턴역학에서는 이러한 뚜렷한 비대칭성이 어두운 물질 준구조체나 분자구름(GMC)의 충돌과 같은 파괴적 사건이 필요하며, 이는 흐름에 큰 간격을 남긴다. 반면 MOND에서는 매끄럽고 비대칭적인 분포가 나타나며, 이는 간격이 없는 흐름을 유도한다.
• . 본 연구는 향후 페르소나 5 환경의 깊은 관측을 통해 이러한 간격이 없고 앞줄기의 빈약함이 확인된다면, MOND와 뉴턴 시나리오를 구별할 수 있을 것으로 제안한다.