[论文解读] A Dynamical Model of the Local Group

P. J. E. Peebles, R. Brent Tully+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2011

advanced mathematical theories参考文献 3被引用 14

一句话总结

本文提出了一种宇宙学约束下的本星系群动力学模型，利用 z ≈ 9 时线性扰动理论的初始条件，模拟了 150 万秒差距内 28 个星系的轨道。该模型成功拟合了红移、距离和自行速度，预测银河系的圆轨道速度为 256 km s⁻¹，并揭示了 10 个星系起源于约 70° 超星系银经附近的高红移集中区域，暗示了原星系形成失败的可能。

ABSTRACT

This dynamical model for the 28 galaxies with distances less than 1.5 Mpc, and not apparently tight satellites, is constrained by the initial condition that peculiar velocities at high redshift are small and growing in accordance with the standard cosmology. The solution is a satisfactory fit to most of the measured redshifts, distances, and proper motions, with some interesting exceptions that call for further investigation. The model predicts Milky Way rotation speed 256 km/s, consistent with Reid et al. (2009a). Ten Local Group galaxies emanate from low supergalactic latitude and supergalactic longitude ~ 70 degrees, perhaps as remnants from failed assembly of a larger galaxy. NGC 6822 passes close to the Milky Way at redshift ~0.27, in an orbit similar to the Magellanic Clouds. Leo I has heliocentric angular velocity 0.33 mas/yr, perhaps measurable by the mean stellar motion, and 15 galaxies have proper motions greater than 0.05 mas/yr, measurable for any with masers.

研究动机与目标

• 开发一个本星系群的动力学模型，纳入高红移时的宇宙学初始条件，以描述特殊速度。
• 拟合 150 万秒差距内 28 个本星系群星系的观测红移、距离和自行速度（排除紧密卫星和大麦哲伦云）。
• 研究如 NGC 6822 和 Leo I 等星系的起源与轨道历史，特别是那些具有高自行速度的星系。
• 通过识别异常现象（如 M33 的轨道）并评估外部质量集中对模型的影响，检验模型的鲁棒性。
• 探索未来通过 VLBI 和 GAIA 进行的自行测量在约束本地动力学方面的潜力。

提出的方法

• 该模型采用数值作用方法（NAM）求解混合边值问题，结合当前位置与 z ≈ 9 时的宇宙学初始条件（1 + z_i = 10）。
• 星系被建模为点粒子，代表原星系中碎片集体运动，其初始特殊速度满足 v ∝ t，与线性扰动理论一致。
• 采用现象学四体近似表示外部质量集中（如雕像座、马菲、半人马座星系群），通过调整其质量、位置和红移以优化对观测的拟合。
• 银河系在太阳半径处的圆轨道速度为自由参数，通过约束为 256 km s⁻¹ 以匹配观测数据。
• 通过作用量的一阶和二阶导数迭代优化轨道，收敛至同时满足初始条件与当前状态的驻定解。
• 模型通过可调作用项考虑外部质量的引力影响，但此仍为简化处理，未来需通过显式外部质量动力学进行改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的 10 个本星系群星系在高红移时聚集于超星系银经 ∼70°、银纬 ∼0° 附近，具有相似的初始位置？
• RQ2 为何该模型对 M33 的轨道预测未能重现其在中等红移时与 M31 的预期近距离飞掠，尽管其他观测量均拟合良好？
• RQ3 本星系群星系的预测自行速度与当前及未来仪器（如 GAIA 和 VLBI）的可探测阈值相比如何？
• RQ4 四个拟合偏差星系的红移和距离系统性偏差在多大程度上反映了对外部质量效应现象学处理的缺陷？
• RQ5 能否通过独立测量确认或改进模型对银河系圆轨道速度 256 km s⁻¹ 的预测？

主要发现

• 该模型预测银河系圆轨道速度为 256 km s⁻¹，与 Reid 等人（2009a）报告的数值一致。
• 10 个本星系群星系——NGC 6822、NGC 185、NGC 147、Leo A、仙女座 XIV、仙后座 dSph、Pegasis dSph、UGC 4879 及 Sextans A/B——起源于高红移时位于 SGL ∼70°、SGB ∼0° 的共同集中区域，物理范围约 400 kpc，宽度小于 75 kpc。
• Leo I 的地心角速度为 0.33 mas yr⁻¹，可通过恒星自行测量，15 个星系的自行速度超过 0.05 mas yr⁻¹，处于射电干涉测量（maser-based VLBI）的探测范围内。
• NGC 6822 在 z ∼ 0.27 时曾近距离掠过银河系，其轨道与大、小麦哲伦云相似。
• 该模型识别出四个星系的轨道存在异常，提示现象学处理外部质量效应可能存在不足，尤其在 M33 轨迹方面。
• 该模型表明，基于宇宙学初始条件的动力学演化可合理拟合大量观测约束，尽管仍存在部分未解决的偏差，且为未来通过自行测量调查开辟了新途径。