[论文解读] The MUSE-Faint survey. III. No large dark-matter cores and no significant tidal stripping in ultra-faint dwarf galaxies

Sebastiaan L. Zoutendijk, Mariana P. Júlio+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用 9

一句话总结

本研究利用 MUSE-Faint 巡天项目获得的 201 个新恒星视线速度，对超昏暗矮星系（UFDs）的暗物质晕特性给出了迄今为止最严格的约束。研究发现，在天蝎座 B、狮子座 T、室女 II 和格鲁斯 1 中均未发现显著的暗物质核心或潮汐剥离现象，核心半径 $r_c < 66$–$95\,$pc，以及 68% 置信水平下的孤子半径 $r_{\mathrm{sol}} < 13$–$112\,$pc，支持 UFD 为再电离化石的模型，其 $M_{200} mid 10^9\,M_\odot$。结果对动力学建模工具敏感，其中 GravSphere 比 CJAM 更符合理论标度关系。

ABSTRACT

[Abridged] Aims. The lowest-mass galaxies, ultra-faint dwarf galaxies, promise unparalleled constraints on how feedback regulates galaxy formation, and on the small-scale matter power spectrum. Their inner dark-matter densities can also be used to constrain dark-matter models. In this paper, we present 201 new stellar line-of-sight velocities from the MUSE-Faint survey for the (ultra-)faint dwarf galaxies Antlia B, Leo T, Hydra II, and Grus 1. Combining these with literature data, we obtain the tightest constraints to date on their dark-matter halo masses and inner dark-matter densities. Methods. We use the Jeans equations implemented in CJAM to model the density profiles and constrain the presence of dark-matter cores and solitons (a prediction of fuzzy dark-matter models). Further modelling is done with GravSphere to test the influence of the choice of modelling tool. We calculate masses, concentrations, and circular velocities from the profiles, include results for Eridanus 2 from our previous work, and compare these properties to theoretical scaling relations, deriving constraints on tidal stripping in the process. Results. We find that dark-matter cores as large as those of more massive dwarf galaxies are ruled out for our galaxies (core radius $r_\mathrm{c} &lt; 66$-$95\,\mathrm{pc}$ at the 68% confidence level). We constrain the soliton radii to $r_\mathrm{sol} &lt; 13$-$112\,\mathrm{pc}$ (68% confidence level). We find that the galaxies are consistent with not having been significantly tidally stripped within their half-light radii. The virial masses and concentrations are sensitive to the choice of dynamical modelling tool: GravSphere produces results consistent with $M_{200} \sim 10^9\,M_\odot$, as expected from models in which ultra-faint dwarf galaxies are re-ionization fossils, while CJAM prefers haloes that are less massive.

研究动机与目标

• 约束超昏暗矮星系（UFDs）的暗物质晕质量、内部密度和核心尺寸，这对检验暗物质模型和反馈物理机制至关重要。
• 检验 UFD 是否存在大尺度暗物质核心或孤子——这是模糊暗物质等替代暗物质理论的关键预测。
• 通过将观测到的速度 dispersion 和密度分布与理论预期进行比较，评估 UFD 的潮汐剥离程度。
• 评估不同动力学建模工具（CJAM 与 GravSphere）对推导出的晕参数（特别是 virial 质量和浓度）的影响。

提出的方法

• 利用 MUSE 甚长基线积分场光谱仪，获取了四个 UFD（天蝎座 B、狮子座 T、室女 II 和格鲁斯 1）的 201 个新恒星视线速度。
• 将这些数据与文献数据结合，构建高精度的动力学建模用运动学分布。
• 在 CJAM 框架内应用 Jeans 方程，以建模密度分布并约束核心半径和孤子半径。
• 使用 GravSphere 检验结果对不同动力学建模假设的稳健性。
• 将推导出的晕参数（virial 质量 $M_{200}$、浓度 $c_{200}$、圆周速度）与理论标度关系进行比较，以推断潮汐剥离程度。
• 通过比较 CJAM 和 GravSphere 的结果，约束模型偏差，特别是在将分布外推至大半径时。

实验结果

研究问题

• RQ1 超昏暗矮星系是否拥有与更大质量矮星系相当的大尺度暗物质核心，如某些反馈模型所预测？
• RQ2 在 UFD 内部区域是否存在孤子——模糊暗物质模型所预测的类似核心的结构？
• RQ3 基于其观测到的速度 dispersion 分布，这些 UFD 的潮汐剥离程度如何？
• RQ4 推导出的晕参数（如 $M_{200}$、$c_{200}$）与再电离化石的理论标度关系相比如何？
• RQ5 在 UFD 中，CJAM 与 GravSphere 哪种动力学建模工具能产生更少偏差的晕参数估计？

主要发现

• 四个 UFD 的暗物质晕核心半径在 68% 置信水平下被约束为 $r_c < 66$–$95\,$pc，排除了在更大质量矮星系中观测到的大核心。
• 孤子半径在 68% 置信水平下被约束为 $r_{\mathrm{sol}} < 13$–$112\,$pc，对模糊暗物质模型施加了强烈限制。
• 这些星系在其有效半光半径内未表现出显著的潮汐剥离，表现为不同模型下速度 dispersion 和圆周速度的一致性。
• GravSphere 推导出的晕质量 $M_{200} \sim 10^9\,M_\odot$，与再电离化石的理论预期一致，而 CJAM 则偏好质量更小的晕。
• virial 质量和浓度对动力学建模工具的选择高度敏感，GravSphere 更符合理论标度关系。
• 结果表明，当前的动力学模型在将分布外推至大半径时可能存在偏差，因此需要借助模拟 UFD 进行进一步测试。