[论文解读] Massive elliptical galaxies at $z \sim 0.2$ are well described by stars and a Navarro-Frenk-White dark matter halo

Anowar J. Shajib, Tommaso Treu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 12被引用 5

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜成像和SLACS巡天的恒星运动学数据，对红移 z ~ 0.2 处的23个巨大椭圆星系进行分析，发现其暗物质晕可很好地由Navarro-Frenk-White (NFW) 模型描述，且平均无绝热压缩。结果支持较重的初始质量函数（如Salpeter初始质量函数），并表明活动星系核反馈可能抵消暗物质晕中的重子压缩效应。

ABSTRACT

We investigate the internal structure of elliptical galaxies at $z\sim 0.2$ from a joint lensing-dynamics analysis. We model Hubble Space Telescope images of a sample of 23 galaxy-galaxy lenses selected from the Sloan Lens ACS (SLACS) survey. Whereas the original SLACS analysis estimated the logarithmic slopes by combining the kinematics with the imaging data, we estimate the logarithmic slopes only from the imaging data. We find that the distribution of the lensing-only logarithmic slopes has a median $2.08\pm0.03$ and intrinsic scatter $0.13 \pm 0.02$, consistent with the original SLACS analysis. We combine the lensing constraints with the stellar kinematics and constrain the amount of adiabatic contraction in the dark matter (DM) halos. We find that the DM halos are well described by a standard Navarro-Frenk-White halo with no contraction on average for both of a constant stellar mass-to-light ratio ($M/L$) model and a stellar $M/L$ gradient model. For the $M/L$ gradient model, we find that most galaxies are consistent with no $M/L$ gradient. Comparison of our inferred stellar masses with those obtained from the stellar population synthesis method supports a heavy initial mass function (IMF) such as the Salpeter IMF. We discuss our results in the context of previous observations and simulations, and argue that our result is consistent with a scenario in which active galactic nuclei feedback counteracts the baryonic-cooling-driven contraction in the DM halos.

研究动机与目标

• 利用联合强引力透镜和动力学分析，研究 z ~ 0.2 处巨大椭圆星系的内部结构。
• 确定这些星系的暗物质晕是否因重子过程而表现出绝热压缩。
• 评估推断的恒星质量与恒星种群合成模型及初始质量函数（IMF）选择的一致性。
• 评估活动星系核反馈在调节暗物质晕压缩中的作用。

提出的方法

• 结合哈勃空间望远镜成像与SLACS巡天的恒星运动学数据，进行联合强引力透镜-动力学分析。
• 仅基于成像数据估算质量密度轮廓的对数斜率，独立于运动学假设。
• 使用包含和不包含绝热压缩的Navarro-Frenk-White (NFW) 模型对暗物质晕进行建模。
• 在恒星质量-to-光度比假设为恒定和径向变化两种情况下，比较仅透镜模型与透镜-动力学联合模型。
• 利用恒星种群合成模型推断恒星质量，并检验其与推断总质量的一致性。
• 通过内在离散度和中位对数斜率的统计分析，评估模型的稳健性及与先前结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 红移 z ~ 0.2 的巨大椭圆星系在其暗物质晕中是否表现出绝热压缩？
• RQ2 暗物质晕结构是否最适宜用无压缩的标准Navarro-Frenk-White模型描述？
• RQ3 基于推断质量与合成模型质量的一致性，所暗示的初始质量函数为何种类型？
• RQ4 活动星系核反馈如何影响观测到的暗物质晕中无压缩现象？
• RQ5 由强引力透镜推导的对数斜率是否与原始SLACS动力学分析结果一致？

主要发现

• 仅透镜分析的对数斜率中位数为 2.08 ± 0.03，内在离散度为 0.13 ± 0.02，与原始SLACS分析结果一致。
• 在恒定和梯度恒星质量-to-光度比模型中，暗物质晕均可很好地由标准Navarro-Frenk-White (NFW) 模型描述，且无平均绝热压缩。
• 在恒星质量-to-光度梯度模型中，大多数星系与质量-to-光度比无径向梯度一致。
• 与恒星种群合成模型比较，推断的恒星质量与较重的初始质量函数（如Salpeter IMF）一致。
• 未观测到压缩现象被解释为活动星系核反馈可能抵消了重子冷却驱动的暗物质晕压缩。
• 无论恒星质量-to-光度比假设为恒定或可变，结果均具稳健性，强化了暗物质晕中无净压缩的结论。