[论文解读] Binary stars as probes of dark substructures in dwarf galaxies

Jorge Peñarrubia, S. E. Koposov+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文提出利用矮球状星系（dSphs）中的宽双星系统作为探测ΛCDM模型所预测的暗物质亚结构的探针。通过分析宇宙学动机的亚晕群体引起的潮汐撕裂率，作者表明双星间距函数应在 $ a_{\rm max} \lesssim 0.1 $ pc 处出现截断，并在该点之后呈现幂律斜率 $ dN/da \propto a^{-2.1} $，这一特征可通过哈勃望远镜的ACS在100 kpc以内的dSphs中进行检验，即使双星比例仅为10%。

ABSTRACT

We use analytical and N-body methods to examine the survival of wide stellar binaries against repeated encounters with dark substructures orbiting in the dark matter haloes of dwarf spheroidal galaxies (dSphs). Our models adopt cosmologically-motivated conditions wherein dSphs are dark-matter dominated systems that form hierarchically and orbit about a host galaxy. Our analytical estimates show that wide binaries are disrupted at a rate that is proportional to the local density of dark substructures averaged over the life-time of the binary population. The fact that external tides can efficiently strip dark substructures from the outskirts of dSphs implies that the present number and distribution of binaries is strongly coupled with the mass evolution of individual galaxies. Yet we show that for the range of dynamical masses and Galactocentric distances spanned by Milky Way dSphs, a truncation in the separation function at a_max

研究动机与目标

• 测试矮球状星系（dSphs）中是否存在暗物质亚结构，dSphs是目前已知最富含暗物质的系统。
• 确定宽双星系统是否可作为银河系晕中低质量、贫重子暗亚结构的灵敏探针。
• 预测亚结构引起的潮汐撕裂对dSphs中双星间距函数的可观测特征。
• 评估利用当前仪器（特别是哈勃空间望远镜的ACS相机）探测该特征的可行性。

提出的方法

• 通过假设亚晕质量函数为无标度且具有宇宙学动机的亚结构密度，对因反复潮汐相遇导致的双星撕裂率进行解析建模。
• 推导在亚结构影响下的双星间距函数，表明当 $ a \gg a_{\rm max} $ 时，$ dN/da \propto a^{-2.1} $，其中 $ a_{\rm max} \propto \langle \rho_p \rangle^{-2/3} $。
• 通过N体模拟验证解析预测，采用真实的dSph参数，如动力学质量、银心距离及恒星族特性。
• 采用Öpik定律描述初始双星分布（$ P(a) \propto a^{-1} $），并采用达特茅斯恒星演化计划提供的恒星光度函数。
• 估算利用哈勃ACS探测宽双星的信噪比（S/N），考虑PSF分辨率（每像素0.05"）和极限星等（$ m_{\rm lim} = 29 $）。
• 模拟多次深空曝光以评估累积探测灵敏度，显示信噪比随积分时间提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 dSphs中的宽双星系统能否用于探测ΛCDM所预测的低质量、无重子暗亚结构？
• RQ2 当受到暗亚结构群影响时，dSphs中双星间距函数的预期形状是什么？
• RQ3 由于亚结构相遇，双星分布的截断发生在何种分离距离 $ a_{\rm max} $？其与亚结构密度的关系如何？
• RQ4 即使双星比例仅为10%，哈勃望远镜的ACS仪器是否能在100 kpc以内的dSphs中探测到预测的双星特征？
• RQ5 宽双星的可探测性如何随dSphs的距离和曝光深度变化？

主要发现

• 对于银河系的dSphs，由于暗亚结构引起的潮汐撕裂，双星间距函数预计在 $ a_{\rm max} \lesssim 0.1 $ pc 处出现截断。
• 在 $ a_{\rm max} $ 之外，受扰动的双星分布遵循幂律斜率 $ dN/da \propto a^{-2.1} $，且该斜率与亚结构质量及密度无关。
• 截断尺度 $ a_{\rm max} $ 与平均亚结构密度的立方根成反比，即 $ a_{\rm max} \propto \langle \rho_p \rangle^{-2/3} $。
• 即使双星比例仅为10%，哈勃ACS也能在100 kpc以内的dSphs中探测到预测的双星特征，通过深空曝光可实现S/N > 4。
• 在10次深空曝光下，对Ursa Minor、Bootes I和Draco等dSphs的信噪比分别达到5.0、4.5和4.4，足以实现显著探测。
• Sagittarius dSph是例外，因其经历潮汐剥离，大部分暗物质晕已丢失，导致预期的截断效应减弱。