[논문 리뷰] Milky Way and Andromeda past-encounters in different gravity models: the impact on the estimated Local Group mass

David Benisty, Eduardo Guendelman외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 다양한 중력 모델에서 시기적 추론(Timing Argument)를 사용하여 은하수와 안드로메다(M31) 간의 과거 상호작용이 국부군(LG) 질량 추정치에 미치는 영향을 조사한다. 우주상수를 포함하면 LG 질량 추정치가 35% 증가하며, 과거에 한 번의 만남이 있었을 경우 질량은 9.99×10¹² M☉로 증가한다. MOND는 적어도 한 번의 만남이 있었을 경우에만 관측된 갈라크틱 질량을 재현할 수 있으며, 향후 시뮬레이션과 다른 중력 이론 검증을 위한 기준점이 된다.

ABSTRACT

The Two-body problem of $M31$ and the Milky Way (MW) galaxies with a Cosmological Constant background is studied, with emphasis on the possibility that they experienced Past Encounters. By implementing the Timing Argument (TA), it is shown that if $M{31}$ and the MW have had more than one encounter then the deduced mass of the Local Group (LG) would be larger. Past encounters are possible only for non-zero transverse velocity, and their viability is subject to observations of the imprints of such near collisions. Using a recent $Gaia$ - based measurement of the transverse velocity we show that the presence of the Cosmological Constant requires the mass for the LG to be $35\%$ higher: $3.36^{+1.14}_{-0.70} \cdot 10^{12} M_{\odot}$ with no Cosmological Constant or $4.54^{+1.20}_{-0.75} \cdot 10^{12} M_{\odot}$ with a Cosmological Constant background. If the LG has had one past encounter, the LG mass is $9.99^{+2.22}_{-1.58}\cdot 10^{12} M_{\odot}$ with a Cosmological Constant background. Modified Newtonian Dynamics (MOND) is studied as the accelerations of the Local Group are fully in the deep-MOND regime. MOND yields the order of magnitude for the expected baryonic mass only if at least one encounter occurred. While we only consider the LG as two point masses, our calculations provide a benchmark for future work with simulations to test Dynamical Friction and other effects. This model can be also used to test screening mechanisms and alternative theories of gravity.

연구 동기 및 목표

• 은하수와 M31 간의 과거 상호작용이 시기적 추론을 사용하여 추정된 국부군 질량에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 이중체 문제 프레임워크에서 우주상수가 LG 질량 추정치에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 깊은-MOND 조건 하에서 수정 뉴턴역학(MOND)이 국부군의 관측된 갈라크틱 질량을 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 향후 동역학적 마찰과 다른 중력 이론을 포함한 시뮬레이션을 위한 이론적 기준점을 설정하는 것.
• 관측된 횡방향 속도 제약 조건이 과거 상호작용의 발생 여부를 지지하는지, 그로 인한 질량 추정치에 미치는 영향을 파악하는 것.

제안 방법

• 은하수와 M31 간의 이중체 문제를 우주상수 배경을 고려하여 모델링하여 궤도 역학에 미치는 영향을 평가한다.
• 시기적 추론(TA)을 적용하여 은하수와 M31의 경사 및 횡방향 속도로부터 국부군 총질량을 유도한다.
• 최근 가이아 기반의 M31 횡방향 속도 측정치를 활용하여 과거 상호작용 가능성의 제약을 설정한다.
• 국부군을 두 개의 점질량으로 가정하여 궤도 역사 분석을 위한 해석적 처리를 단순화한다.
• 수정 뉴턴역학(MOND)을 시스템에 적용하여 깊은-MOND 조건 하에서 관측된 갈라크틱 질량을 재현할 수 있는지 평가한다.
• 표준 중력과 MOND 모두에서 과거 상호작용 이력이 있는지 여부를 비교함으로써 질량 추정치에 미치는 영향을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시기적 추론을 사용할 때 우주상수를 포함하면 국부군 질량 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 은하수와 M31가 한 번 이상의 과거 상호작용을 경험했다면 국부군에 필요한 최소 질량은 얼마인가?
• RQ3 수정 뉴턴역학(MOND)은 적어도 한 번의 과거 상호작용이 있었을 경우에만 국부군의 관측된 갈라크틱 질량을 재현할 수 있는가?
• RQ4 횡방향 속도 측정치는 은하수와 M31 간의 과거 상호작용 가능성에 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 과거 상호작용은 국부군에서 스크리닝 메커니즘과 다른 중력 이론을 시험하는 데 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 우주상수를 포함하면 국부군 질량 추정치가 35% 증가하여, 우주상수 없이 3.36⁺¹.¹⁴₋₀.⁷⁰×10¹² M☉이었던 데 비해 4.54⁺¹.²⁰₋₀.⁷⁵×10¹² M☉로 증가한다.
• 과거에 한 번의 만남이 있었을 경우, 우주상수 배경 하에서 국부군 질량은 9.99⁺².²²₋₁.⁵⁸×10¹² M☉로 크게 증가한다.
• 수정 뉴턴역학(MOND)은 적어도 한 번의 과거 상호작용이 있었을 경우에만 국부군 갈라크틱 질량의 순서수준 추정치를 일관되게 재현할 수 있다.
• 과거 상호작용이 가능하려면 M31가 비제로의 횡방향 속도를 가져야 하며, 이는 최근 가이아 측정치에 의해 지지된다.
• 이 모델은 향후 N체 시뮬레이션에서 동역학적 마찰 및 기타 비이상적 효과를 시험하기 위한 이론적 기준점을 제공한다.
• 결과는 과거 상호작용가 확인된다면, MOND와 같은 다른 중력 이론이 국부군의 역학적 역사로부터 시험 가능할 수 있음을 시사한다.