[论文解读] Dark matter in the Milky Way, II. the HI gas distribution as a tracer of the gravitational potential

P. M. W. Kalberla, L. Dedes+2 more|ArXiv.org|Apr 30, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 101被引用 113

一句话总结

本研究利用莱顿/阿根廷/波恩全天21厘米巡天数据，对银河系三维H i气体分布进行建模，以约束引力势能，揭示了一个具有质量环（13–18.5 kpc）的自持引力暗物质盘，总晕质量约为1.8×10¹² M☉。该模型解释了观测到的H i盘翘曲现象及高达27 kpc的平坦旋转曲线，支持巨大恒星环的并合起源，并暗示暗物质动力学具有耗散特性。

ABSTRACT

Context. Gas within a galaxy is forced to establish pressure balance against gravitational forces. The shape of an unperturbed gaseous disk can be used to constrain dark matter models. Aims. We derive the 3-D HI volume density distribution for the Milky Way out to a galactocentric radius of 40 kpc and a height of 20 kpc to constrain the Galactic mass distribution. Methods. We used the Leiden/Argentine/Bonn all sky 21-cm line survey. The transformation from brightness temperatures to densities depends on the rotation curve. We explored several models, reflecting different dark matter distributions. Each of these models was set up to solve the combined Poisson-Boltzmann equation in a self-consistent way and optimized to reproduce the observed flaring. Results. Besides a massive extended halo of M ~ 1.8 10^{12} Msun, we find a self-gravitating dark matter disk with M=2 to 3 10^{11} Msun, including a dark matter ring at 13 < R < 18.5 kpc with M = 2.2 to 2.8 10^{10} Msun. The existence of the ring was previously postulated from EGRET data and coincides with a giant stellar structure that surrounds the Galaxy. The resulting Milky Way rotation curve is flat up to R~27 kpc and slowly decreases outwards. The \hi gas layer is strongly flaring. The HWHM scale height is 60 pc at R = 4 kpc and increases to ~2700$ pc at R=40 kpc. Spiral arms cause a noticeable imprint on the gravitational field, at least out to R = 30 kpc. Conclusions. Our mass model supports previous proposals that the giant stellar ring structure is due to a merging dwarf galaxy. The fact that the majority of the dark matter in the Milky Way for $R \la 40$ kpc can be successfully modeled by a self-gravitating isothermal disk raises the question of whether this massive disk may have been caused by similar merger events in the past.

研究动机与目标

• 在银心半径40 kpc、高度20 kpc范围内，推导银河系三维H i体积密度分布，以约束银河系质量分布。
• 解决长期存在的观测平坦旋转曲线与理论模型预测下降旋转曲线之间的矛盾。
• 检验H i盘翘曲现象是否可通过包含暗物质组分的自洽引力势能解释。
• 利用自持引力暗物质模型，探究H i分布中大尺度不对称性和螺旋状特征的起源。
• 评估此前基于EGRET数据推断出的13–18.5 kpc暗物质环是否与H i气体分布及整体质量模型一致。

提出的方法

• 利用莱顿/阿根廷/波恩（LAB）全天21厘米谱线巡天数据，绘制银河系中H i亮度温度分布。
• 在不同旋转曲线假设下，通过泊松-玻尔兹曼方程的自洽解，将亮度温度转换为三维H i体积密度。
• 探索多种暗物质模型，包括一个质量较大的延伸晕，以及一个具有环状组分的自持等温暗物质盘。
• 优化模型以重现观测到的H i翘曲剖面，其标高从R=4 kpc处的60 pc增加至R=40 kpc处的约2700 pc。
• 在引力势能中引入旋臂扰动，以解释H i分布中径向和南北方向的不对称性。
• 采用IAU推荐的银河系常数（R☉=8.5 kpc，v☉=220 km s⁻¹）锚定旋转曲线，确保与观测到的平坦性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中观测到的H i盘翘曲现象是否可通过包含暗物质组分的自洽引力势能解释？
• RQ2 基于H i气体运动学和密度剖面，银河系外盘（特别是20 kpc以外）的暗物质质量分布如何？
• RQ3 此前从EGRET数据推断出的13–18.5 kpc暗物质环，是否能为观测到的H i分布和旋转曲线提供合理解释？
• RQ4 旋臂结构在多大程度上影响引力势能和H i分布，特别是在R>30 kpc区域？
• RQ5 观测到的暗物质分布亚结构（包括盘和环）是否与耗散或并合驱动的形成情景一致？

主要发现

• 银河系H i盘表现出显著的翘曲，半高全宽（HWHM）标高从R=4 kpc处的60 pc增加至R=40 kpc处的约2700 pc。
• 该模型支持一个总质量约为1.8×10¹² M☉的庞大延伸暗物质晕，与观测到的平坦旋转曲线（高达R≈27 kpc）一致。
• 必须存在一个总质量为2–3×10¹¹ M☉的自持引力暗物质盘，其中包含一个位于13–18.5 kpc处的显著环状组分，质量为2.2–2.8×10¹⁰ M☉。
• 暗物质环在空间上与一个巨大的恒星环结构重合，与过去发生的一次涉及高质量比（24–120）矮星系的并合事件一致。
• 旋臂扰动显著影响引力势能，导致H i分布中可观测到的径向和南北方向不对称性，影响范围可达R≈30 kpc。
• 厚而各向异性的暗物质盘的存在表明，恒星流前身体的轨道平面可能与银河系盘面对齐，暗示暗物质亚结构具有耗散或并合驱动的起源。