[论文解读] Dynamics of the NGC 4636 globular cluster system II. Improved constraints from a large sample of globular cluster velocities

Y. Schuberth, T. Richtler+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 80被引用 31

一句话总结

本研究基于NGC 4636周围460个球状星团的径向速度大样本，结合新的VLT/FORS2数据与先前观测，改进了该星系暗晕的动力学建模。通过结合恒星与球状星团运动学的Jeans分析，发现R波段的恒星质量光度比为5.8，与MOND预测一致，且仅在考虑元素丰度梯度时与X射线质量分布吻合良好，支持在X射线质量估计中引入此类修正的必要性。

ABSTRACT

We present new radial velocities for 289 globular clusters around NGC 4636, the southernmost giant elliptical galaxy of the Virgo cluster. The data were obtained with FORS2/MXU at the Very Large Telescope. Together with data analysed in an earlier study (Schuberth et al. 2006), we now have a sample of 460 globular cluster velocities out to a radius of 12 arcmin (60 kpc) available - one of the largest of its kind. This new data set also provides a much more complete angular coverage. Moreover, we present new kinematical data of the inner stellar population of NGC 4636. We perform an updated Jeans analysis, using both stellar and GC data, to better constrain the dark halo properties. We find a stellar M/L-ratio of 5.8 in the R-band, higher than expected from single stellar population synthesis. We model the dark halo by cored and cuspy analytical halo profiles and consider different anisotropies for the tracer populations. Properties of NFW halos lie well within the expected range of cosmological simulations. Cored halos give central dark matter densities, which are typical for elliptical galaxies of NGC 4636's luminosity. The surface densities of the dark matter halos are higher than those of spiral galaxies. We compare the predictions of Modified Newtonian Dynamics with the derived halo properties and find satisfactory agreement. Therefore NGC 4636 therefore falls onto the baryonic Tully-Fisher relation for spiral galaxies. The comparison with the X-ray mass profile of Johnson et al. (2009) reveals satisfactory agreement only, if the abundance gradient of hot plasma has been taken into account. This might indicate a general bias towards higher masses for X-ray based mass profiles in all systems, including galaxy clusters, with strong abundance gradients.

研究动机与目标

• 利用更大、更完整的球状星团径向速度样本，改进NGC 4636暗物质晕的约束。
• 通过将观测速度 dispersion 与动力学模型对比，精炼恒星质量光度比。
• 检验所推导的质量分布与基于X射线的质量分布的一致性，特别是考虑热等离子体中元素丰度梯度的影响。
• 评估修正牛顿动力学（MOND）与NFW/有核晕模型在解释球状星团系统运动学方面的可行性。
• 评估星族轨道各向异性的影响力以及外区速度 dispersion 分布的可靠性。

提出的方法

• 利用VLT/FORS2/MXU获取了289个球状星团的新径向速度，使总样本量达到460个星团，覆盖至12角分（60 kpc）。
• 对蓝、红球状星团子群体分别进行球对称Jeans分析，利用恒星光度与球状星团运动学数据建模总质量分布。
• 拟合包含NFW、Burkert与对数型轮廓的解析暗晕模型，对示踪星族采用不同各向异性参数。
• 将所推导的动力学质量分布与Johnson等（2009）的X射线质量分布进行比较，检验在X射线分析中引入丰度梯度的影响。
• 通过圆周速度与面密度比较，评估结果与重子Tully-Fisher关系及MOND预测的一致性。
• 采用修正后的距离17.5 Mpc重新标定恒星M/L比，以提升动力学一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用更大样本的球状星团速度，对NGC 4636暗物质晕的约束有何改进？
• RQ2 R波段的恒星质量光度比与星族合成模型预测相比如何？这对初始质量函数有何启示？
• RQ3 在考虑元素丰度梯度时，基于X射线的质量分布与基于球状星团运动学推导的动力学质量分布的一致性程度如何？
• RQ4 运动学数据是否支持修正牛顿动力学（MOND）或标准冷暗物质晕模型？
• RQ5 蓝、红球状星团的轨道各向异性是否与各向同性一致？它们对质量建模有何影响？

主要发现

• R波段的恒星M/L比为5.8，高于标准单星族合成模型的预期，暗示其初始质量函数比本地年轻星团更陡峭。
• 使用恒星光度与蓝球状星团联合拟合的最佳对数晕模型具有核心半径r₀ = 8 kpc与圆周速度v₀ = 237 km/s。
• 当考虑热等离子体的丰度梯度时，Johnson等（2009）的X射线质量分布与动力学质量分布高度一致；否则，其质量估计显著偏高。
• NGC 4636的晕面密度在同光度椭圆星系中属典型值，且与其它早期型星系相似，支持其与有核晕模型的一致性。
• NGC 4636接近螺旋星系的重子Tully-Fisher关系，其动力学特性与MOND预测一致，尤其在a = 1.2 × 10⁻¹⁰ m/s²时表现更佳。
• 使用红球状星团样本的拟合结果始终劣于蓝球状星团样本，但原因尚不明确。