[论文解读] A wide-field HI mosaic of Messier 31. II.The disk warp, rotation and the dark matter halo

E. Corbelli, Silvio Lorenzoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 73被引用 73

一句话总结

本研究利用高分辨率21厘米H I图像对M31进行建模，以分析其旋转曲线和暗物质晕，采用倾斜环模型。结果表明，在无暗物质晕的情况下，牛顿动力学无法解释观测结果；而ΛCDM与MOND模型均可拟合数据——其中最优的ΛCDM晕具有浓度C=12，质量为1.2×10¹² M⊙，与外部质量估计结果在560 kpc范围内一致。

ABSTRACT

We test cosmological models of structure formation using the rotation curve of the nearest spiral galaxy, M31, determined using a recent deep, full-disk 21-cm imaging survey smoothed to 466 pc resolution. We fit a tilted ring model to the HI data from 8 to 37 kpc. The disk of M31 warps from 25 kpc outwards and becomes more inclined with respect to our line of sight. Newtonian dynamics without a dark matter halo provide a very poor fit to the rotation curve derived using the warp model. In the framework of modified Newtonian dynamic however the 21-cm rotation curve is well fitted by the gravitational potential traced by the baryonic matter density alone. The inclusion of a dark matter halo with a density profile as predicted by structure formation in a hierarchical clustering LambdaCDM cosmology makes the mass model in newtonian dynamic compatible with the rotation curve data. The dark halo concentration for the best fit is C=12 and its total mass is 1.2 10^{12} Msun. If a dark halo model with a constant density core is considered, the core radius has to be larger than 20 kpc in order for the model to fit to the data. We extrapolate the best-fit LambdaCDM and constant-density core mass models to very large galactocentric radii, comparable to the size of the dark matter halo. A comparison of the predicted mass with the M31 mass determined at such large radii using other dynamical tracers, confirms the validity of our results. In particular the LambdaCDM dark halo model which best fits the 21-cm data well reproduces the M31 mass traced out to 560 kpc. Our estimated total mass of M31 is 1.3 10^{12} Msun, with 12% baryonic fraction and only 6% of the baryons in neutral gas.

研究动机与目标

• 利用宽场21厘米H I图像（8至37 kpc）测定M31的旋转曲线。
• 检验仅含重子物质的牛顿动力学是否能再现观测到的旋转曲线。
• 评估ΛCDM与MOND模型与旋转曲线数据的一致性。
• 通过动力学建模约束暗物质晕参数（质量、浓度、核心半径）。
• 通过外推至大半径并对比独立的动力学示踪体（如卫星、潮汐流）验证最优拟合晕模型。

提出的方法

• 对Braun等人（2009年）提供的21厘米H I速度场数据应用倾斜环模型，覆盖8至37 kpc的银心半径范围。
• 使用11个自由环，各自具有独立参数（系统速度、中心、圆周旋转速度、倾角、位置角），共66个自由度。
• 在相邻环之间采用线性插值，确保运动学参数平滑过渡。
• 通过三种独立拟合技术及不同数据选择标准（如限制在主轴附近的方位角）测试模型的稳健性。
• 将ΛCDM NFW晕和恒定密度核心暗物质晕模型拟合至旋转曲线，质量-光度比作为自由参数。
• 将最优拟合晕模型外推至大半径（最高达560 kpc），并与球状星团、潮汐流及卫星系统等观测结果比较预测质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在牛顿动力学下，M31的观测旋转曲线是否需要暗物质晕？
• RQ2 修正牛顿动力学（MOND）是否可在不引入暗物质的情况下再现M31的旋转曲线？
• RQ3 M31中ΛCDM暗物质晕的最佳拟合参数（质量、浓度、核心半径）为何？
• RQ4 最优拟合晕模型外推得到的质量与大半径处独立动力学估计值相比如何？
• RQ5 从21厘米旋转曲线与晕建模中推断出的M31总质量与重子物质分数是多少？

主要发现

• M31的盘面从25 kpc向外发生翘曲，倾角增至86°（35 kpc处），且两个银道半球的旋转曲线保持一致。
• 仅用重子物质（恒星与气体）的牛顿动力学无法再现20 kpc以外的平坦旋转曲线。
• MOND模型仅通过重子物质引力势即可良好拟合旋转曲线，无需引入暗物质晕。
• 最优拟合的ΛCDM暗物质晕具有浓度参数C=12，总质量为1.2×10¹² M⊙。
• 恒定密度核心模型需核心半径>20 kpc才能拟合数据，最佳拟合核心半径为77 kpc，但该模型在大半径处质量预测过高。
• 外推的ΛCDM与恒定核心晕模型与外部示踪体（球状星团、卫星）在560 kpc范围内推断的M31总质量（1.3×10¹² M⊙）高度一致，重子物质分数为12%。