[论文解读] Interacting Galaxies with MOND

O. Tiret, F. Combes|ArXiv.org|Dec 10, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本研究采用新型自适应网格加密泊松求解器的N体模拟，比较了MOND与含暗物质的牛顿引力下星系的动力学。结果表明，MOND能自然地产生更强、形成更快的旋臂，重现类似触须星系的相互作用星系的形态与运动学特征，但因动力摩擦显著减弱，导致并合 timescale 更长。

ABSTRACT

We compare N-body simulations performed in MOND with analogs in Newtonian gravity with dark matter (DM). We have developed a code which solves the Poisson equation in both gravity models. It is a grid solver using adaptive mesh refinement techniques, allowing us to study isolated galaxies as well as interacting galaxies. Galaxies in MOND are found to form bars faster and stronger than in the DM model. In Newton dynamics, it is difficult to reproduce the observed high frequency of strong bars, while MOND appears to fit better the observations. Galaxy interactions and mergers, such as the Antennae, are also simulated with Newton and MOND dynamics. In the latter, dynamical friction is much weaker, and merging time-scales are longer. The formation of tidal dwarf galaxies in tidal tails are also compared in MOND and Newton+DM models.

研究动机与目标

• 检验MOND是否能在不引入暗物质的前提下，重现观测到的星系动力学，特别是孤立系统和相互作用系统中的现象。
• 研究在MOND下孤立星系的稳定性与旋臂形成，与含暗物质晕的牛顿引力模型进行对比。
• 在MOND框架下模拟触须星系的并合过程，并与观测结果比较其形态与运动学特征。
• 比较MOND与暗物质模型中潮汐矮星系的形成机制。
• 评估在MOND与ΛCDM模型下，动力摩擦在并合 timescale 中的作用差异。

提出的方法

• 开发了一种基于网格的泊松求解器，采用多重网格技术求解MOND中的修正泊松方程，引入插值函数μ(x)以实现牛顿区与MOND区之间的过渡。
• 实现自适应网格加密，以支持对孤立和相互作用星系的高分辨率模拟。
• 在MOND与含暗物质晕的牛顿引力下执行直接N体模拟，采用相同的初始条件以进行对比。
• 使用临界加速度尺度 $ a_0 = 1.2 imes 10^{-10} \, \text{m.s}^{-2} $ 和标准μ函数来建模MOND引力。
• 在两种模型下模拟触须星系的并合过程，比较潮汐尾的形态、运动学特征及并合 timescale。
• 分析在两种引力模型下，有无气体盘的Hubble序列模拟中旋臂的形成与强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOND是否能在不依赖暗物质晕的前提下，重现观测中高频率的强旋臂？
• RQ2 在MOND与含暗物质的牛顿引力下，类似触须星系的相互作用星系的形态与运动学特征有何差异？
• RQ3 在MOND中，动力摩擦在并合 timescale 中扮演何种角色？其与ΛCDM模型有何不同？
• RQ4 在MOND中，潮汐矮星系能否自然形成，而无需依赖扩展的暗物质晕？
• RQ5 当考虑不同的并合 timescale 时，宇宙中观测到的并合率在MOND与ΛCDM模型下是否仍保持一致？

主要发现

• MOND中的星系比暗物质模型中形成更快、更强的旋臂，解决了ΛCDM中旋臂频率被低估的长期难题。
• 在MOND中，冷气体盘的引入对旋臂形成影响甚微，除非气体分数超过约7%；而在暗物质模型中，气体会增强旋臂的强度与不稳定性。
• MOND模拟成功重现了触须星系的形态，包括延伸的潮汐尾，与Hibbard等人（2001年）的观测结果一致。
• 由于缺乏大质量暗物质晕，MOND中的动力摩擦显著减弱，导致并合 timescale 可长达数十亿年。
• 在MOND中，潮汐矮星系自然形成于潮汐尾的尖端，而在暗物质模型中，其形成需依赖扩展的暗物质晕。
• 宇宙并合历史存在显著差异：MOND预测并合次数较少但持续时间更长，而ΛCDM预测并合更频繁但持续时间更短。