[论文解读] Accelerated Structure Formation: the Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies

Stacy McGaugh, James M. Schombert+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文认为，大质量星系和星系团的形成时间早于标准 ΛCDM 模型的预测，基于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和动力学数据提供了加速结构形成的观测证据。研究显示，这些早期大质量系统与 MOND 长期以来的预测一致，特别是 z ≳ 10 时恒星质量的快速增长以及大尺度结构的形成。

ABSTRACT

Galaxies in the early universe appear to have grown too big too fast, assembling into massive, monolithic objects more rapidly than anticipated in the hierarchical $Λ$CDM structure formation paradigm. The available photometric data are consistent with there being a population of massive galaxies that form early ($z \gtrsim 10$) and quench rapidly over a short ($\lesssim 1$ Gyr) timescale, consistent with the traditional picture for the evolution of giant elliptical galaxies. Similarly, kinematic observations as a function of redshift show that massive spirals and their scaling relations were in place at early times. Explaining the early emergence of massive galaxies requires either an extremely efficient conversion of baryons into stars at $z>10$ or a more rapid assembly of baryons than anticipated in $Λ$CDM. The latter possibility was explicitly predicted in advance by MOND. We discuss some further predictions of MOND, such as the early emergence of clusters of galaxies and early reionization.

研究动机与目标

• 调查观测到的早期大质量星系形成与分层 ΛCDM 结构形成模型预测之间的差异。
• 评估观测到的早期大质量星系和星系团的出现是否可由类似 MOND 的替代引力理论解释。
• 检验高红移星系动力学（z ≳ 6）与重子 Tully-Fisher 关系及暗物质分数-表面亮度关系的一致性。
• 评估 MOND 关于早期宇宙结构形成的长期预测是否现已被 JWST 数据实证支持。
• 探讨加速结构形成对宇宙学模型的影响，特别是 ΛCDM 与观测到的早期星系演化之间的张力。

提出的方法

• 分析来自 JWST 和 JWST 之前观测的高红移星系数据，以评估 z ≳ 10 时的恒星质量积累与形态成熟度。
• 应用指数星形成历史模型（ψ(t) = ψ₀e⁻ᵘ），采用短时标（τ ≲ 1 Gyr）以模拟早期星系中快速的质量增长。
• 利用标准 ΛCDM 宇宙学中的时-红移关系，计算光度演化并将其与观测到的星系星等进行比较。
• 利用高红移旋涡星系的动力学数据，检验重子 Tully-Fisher 关系和暗物质分数-表面亮度关系。
• 将星系形成时间线的观测约束与 MOND 的理论预测（特别是 Sanders, 1998 和 McGaugh, 2015 的预测）进行比较。
• 评估 MOND 在大尺度结构形成（包括宇宙网和 z ≈ 2 时星系团的出现）方面的一致性。

Figure 1: Merger trees for two model galaxies from the TNG50-1 simulation (Pillepich et al., 2019 ; Nelson et al., 2019 ) selected to have $M_{*}\approx 9\times 10^{10}\;\mathrm{M}_{\sun}$ at $z=0$ ; i.e., the stellar mass of a local $L^{*}$ early type galaxy (Driver et al., 2022 ) . Mass assembles

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系（z ≳ 10）是否表现出与分层 ΛCDM 形成机制不一致的快速、类单体质量积累迹象？
• RQ2 在 z ≳ 6 时，大质量旋涡星系的动力学在多大程度上支持早期宇宙中成熟标度关系（如重子 Tully-Fisher 关系）的存在？
• RQ3 MOND 的非线性动力学是否能够解释大质量星系和星系团的早期出现，其机制相比 ΛCDM 可加速结构形成？
• RQ4 JWST 和其他望远镜的观测约束如何挑战标准 ΛCDM 中星系和星系团形成的时间线？
• RQ5 在当前高红移数据背景下，MOND 对早期结构形成的成功先验预测意味着什么？

主要发现

• z ≳ 10 的星系显示出快速质量积累的证据，与指数星形成历史及 τ ≲ 1 Gyr 的时标一致，至 z = 0 时已达到 M* ≈ 10¹¹ M☉。
• 高红移旋涡星系（z ≳ 6）的动力学观测显示，其圆轨道速度 >250 km s⁻¹，且符合重子 Tully-Fisher 关系，表明早期即已形成成熟的大质量盘状结构。
• 暗物质分数-表面亮度关系在 z ≳ 6 时已确立，表明动力学质量的增长并非仅由光度演化引起。
• 大质量星系和星系团的早期出现与超过二十年前 MOND 的预测一致，包括 z ≳ 10 时的星系和 z ≈ 2 时的星系团。
• MOND 由于非线性动力学，预测了加速的结构形成，导致其坍缩与增长早于线性 ΛCDM 模型中的增长。
• 尽管 ΛCDM 在拟合宇宙学观测方面表现成功，但其无法解释大质量系统的早期形成，而 MOND 提供了一个连贯且可预测的替代方案。

Figure 2: The redshift dependence of the Spitzer [4.5] apparent magnitude $m^{*}$ of Schechter function fits to populations of galaxies in clusters and candidate protoclusters. Data from Mancone et al. ( 2010 , black circles) , Wylezalek et al. ( 2014 , dark blue circles) , and Franck & McGaugh ( 20