[论文解读] Stellar streams as gravitational experiments II. Asymmetric tails of globular cluster streams

Guillaume F. Thomas, Benoît Famaey+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用 16

一句话总结

本研究调查了在修正牛顿动力学（MOND）中，由于外部场效应（EFE）破坏了强等效原理，球状星团（如帕洛玛5）的潮汐流是否表现出独特的不对称性。利用Phantom of Ramses代码进行N体模拟，作者发现，与牛顿动力学相比，MOND预测的前导臂显著更短、质量更轻且更蓬松——导致粒子数比为0.7–0.82，而牛顿动力学中两臂是对称的。这种不对称性源于MOND中不对称的有效势能，为区分MOND与包含暗物质亚结构或分子云（GMCs）的牛顿模型提供了潜在的观测检验方法。

ABSTRACT

Kinematically cold tidal streams of globular clusters (GC) are excellent tracers of the Galactic gravitational potential at moderate Galactocentric distances, and can also be used as probes of the law of gravity on Galactic scales. Here, we compare for the first time the generation of such streams in Newtonian and Milgromian gravity (MOND). We first compute analytical results to investigate the expected shape of the GC gravitational potential in both frameworks, and we then run N-body simulations with the Phantom of Ramses code. We find that the GCs tend to become lopsided in MOND. This is a consequence of the external field effect which breaks the strong equivalence principle. When the GC is filling its tidal radius the lopsidedness generates a strongly asymmetric tidal stream. In Newtonian dynamics, such markedly asymmetric streams can in general only be the consequence of interactions with dark matter subhalos, giant molecular clouds, or interaction with the Galactic bar. In these Newtonian cases, the asymmetry is the consequence of a very large gap in the stream, whilst in MOND it is a true asymmetry. This should thus allow us in the future to distinguish these different scenarios by making deep observations of the environment of the asymmetric stellar stream of Palomar 5. Moreover, our simulations indicate that the high internal velocity dispersion of Palomar 5 for its small stellar mass would be natural in MOND.

研究动机与目标

• 本论文旨在检验MOND中的外部场效应（EFE）是否在低质量球状星团的潮汐流中产生可观测的不对称性。
• 研究此类不对称性是否能将MOND与牛顿动力学区分开，因为在牛顿动力学中，不对称性通常需要子结构（如暗物质亚晕）或分子云（GMCs）撞击等破坏性事件。
• 本研究以帕洛玛5为原型，测试MOND在运动学冷、低质量恒星系统中的预测。
• 研究MOND是否能自然解释帕洛玛5在低恒星质量下观测到的高速度弥散。
• 研究目标还包括评估MOND与牛顿框架下，星流形态和粒子分布是否存在系统性差异。

提出的方法

• 作者使用Phantom of Ramses代码进行N体模拟，分别在MOND和牛顿引力下模拟一个类似于帕洛玛5的球状星团前身体的潮汐破坏过程。
• 在相同初始条件下，比较MOND与牛顿模型中星流的形态、粒子分布和速度弥散。
• 模拟中包含了MOND的EFE，其通过外部银河系引力场改变了星团的内部势能。
• 通过解析计算星团的有效势能，以理解MOND中不对称性的起源。
• 应用31.5 mag.arcsec⁻²的检测阈值，估算前导臂和后随臂中可观测星流的粒子数。
• 通过将残余星团的恒星质量、密度分布和速度弥散与帕洛玛5的观测结果对比，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOND中的外部场效应是否在球状星团中产生不对称的有效势能，从而导致潮汐流的不对称形成？
• RQ2 对于低质量球状星团，MOND中前导臂与后随臂的粒子分布与牛顿动力学有何不同？
• RQ3 帕洛玛5星流中观测到的不对称性——特别是前导臂粒子稀少——是否可在不引入暗物质亚晕或GMCs的情况下由MOND解释？
• RQ4 在恒星质量较低的前提下，MOND是否能自然再现帕洛玛5的高内部速度弥散？
• RQ5 MOND星流中的不对称性是否系统性地仅影响前导臂，从而提供独特的观测特征？

主要发现

• 在MOND中，由于外部场效应导致的不对称有效势能，前导臂的粒子数比后随臂少18–30%，粒子数比为0.7至0.82。
• 前导臂在质量上也显著更轻、更蓬松，表明星流喷流存在真实的不对称性，而牛顿模型中两臂是对称的。
• MOND中残余球状星团的速度弥散显著高于牛顿模拟结果，更接近帕洛玛5的观测值。
• MOND中的不对称性源于强等效原理的破坏，外部银河系场改变了星团的内部动力学。
• 在牛顿动力学中，此类显著的不对称性需要类似暗物质亚晕或GMC撞击的破坏性事件，这将导致星流中出现大空隙——而MOND中的星流是平滑且不对称的。
• 本研究建议，未来对帕洛玛5环境的深度观测可通过检测空隙的缺失并确认前导臂系统性粒子稀少，来区分MOND与牛顿情景。