[论文解读] A population of dwarf galaxies deficient in dark matter

Qi Guo, Huijie Hu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究识别出19个矮星系，其中包括14个孤立星系，其暗物质含量极低——这挑战了标准宇宙学模型所预测的在低质量系统中暗物质占主导地位的结论。研究结果表明，部分矮星系即使在其光学半光半径之外，也可能主要由重子物质构成，暗示其与暗物质驱动结构形成理论的预测存在潜在矛盾。

ABSTRACT

In the standard cosmological model, dark matter drives the structure formation and constructs potential wells within which galaxies could form. The baryon fraction in dark halos could reach the universal value in rich clusters and drops fast towards low mass systems. The formation of dwarf galaxies is sensitive both to baryonic processes and the properties of dark matter due to their shallow potential well. In dwarf galaxies in the Local Group, dark matter dominates the mass content even within their half optical light radii (r_e ~ 1 kpc). However, statistical studies beyond the Local Group were hampered by the extreme faintness of such systems in the past. Here we report 19 dwarf galaxies that could mainly consist of baryons up to radii well beyond r_e, where they are expected to be dominated by dark matter. 14 of them are isolated dwarf galaxies, free from the influence of nearby bright galaxies/AGNs and high dense environments. This result provides observational evidence that could challenge the formation theory of low-mass galaxies in the framework of standard cosmology.

研究动机与目标

• 调查本地星系群以外矮星系中的暗物质含量，此前因观测目标过暗而受限。
• 确定低密度环境中矮星系是否可拥有极少暗物质，从而挑战暗物质占主导地位的预期。
• 检验标准宇宙学模型在低质量系统中对重子物质比例和暗物质分布的预测。
• 识别不受外部影响的孤立矮星系，以隔离暗物质缺乏的内在属性。

提出的方法

• 开展深度的测光与光谱观测，测量微弱矮星系的恒星运动学与光度分布。
• 利用速度弥散度测量推断总质量，并与基于恒星光的重子质量估算进行比较。
• 应用动力学建模，估算扩展至光学半光半径（r_e ~ 1 kpc）之外的半径范围内的暗物质占比。
• 通过排除邻近明亮星系或处于高密度环境中的星系，筛选孤立系统，以最小化潮汐与环境效应。
• 将观测到的质量-光度比与标准宇宙学模型的理论预期进行比较。
• 通过评估观测动力学与仅由重子质量解释的一致性，评估暗物质缺乏的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低密度环境中的矮星系是否表现出显著的暗物质缺乏？
• RQ2 矮星系中观测到的质量在多大程度上可仅由重子物质解释？
• RQ3 孤立矮星系的动力学质量分布与标准宇宙学模型的预测相比如何？
• RQ4 暗物质缺乏矮星系的存在对星系形成理论有何影响？
• RQ5 这些矮星系的观测特性是否与反馈驱动或替代暗物质模型一致？

主要发现

• 识别出19个矮星系，其质量分布特征在光学半光半径之外与重子物质主导一致。
• 其中14个星系为孤立星系，表明暗物质缺乏并非由潮汐剥离等环境效应所致。
• 观测到的速度弥散度暗示质量-光度比与仅由重子质量决定的预期一致，表明暗物质贡献极小。
• 这些系统中的重子物质比例超过标准宇宙学模型的预期，尤其在较大半径处更为显著。
• 研究结果挑战了标准模型预测的在低质量系统中即使在孤立环境中暗物质也应占主导地位的观点。
• 此类系统的存在暗示标准星系形成模型在低质量区域可能存在潜在不一致。