[论文解读] Dark matter deficient galaxies in the Illustris flat-$Λ$CDM model structure formation simulation

Hai Yu, Bharat Ratra+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 38被引用 5

一句话总结

本研究利用Illustris平面-ΛCDM宇宙学模拟，探讨了暗物质匮乏星系（即M_dm/M_star < 1的星系）的形成与普遍性。结果发现，此类星系，包括像子晕476171（M_star ≈ 9×10^10 M_sun，M_dm/M_star ≈ 0.1）这样质量大、紧凑的系统，在模拟中十分常见，表明它们在真实宇宙中也应存在，并可作为检验ΛCDM模型与暗物质物理的关键工具。

ABSTRACT

Surveying dark matter deficient galaxies (those with dark matter mass to stellar mass ratio $M_{ m dm}/M_{ m star}&lt;1$) in the Illustris simulation of structure formation in the flat-$Λ$CDM cosmogony, we find $M_{ m star} \approx 2 imes 10^8\, M_\sun$ galaxies that have properties similar to those ascribed by \citet{vanDokkumetal2018a} to the ultra-diffuse galaxy NGC1052-DF2. The Illustris simulation also contains more luminous dark matter deficient galaxies. Illustris galaxy subhalo 476171 is a particularly interesting outlier, a massive and very compact galaxy with $M_{ m star} \approx 9 imes 10^{10}\, M_\sun$ and $M_{ m dm}/M_{ m star} \approx 0.1$ and a half-stellar-mass radius of $\approx 2$ kpc. If the Illustris simulation and the $Λ$CDM model are accurate, there are a significant number of dark matter deficient galaxies, including massive luminous compact ones. It will be interesting to observationally discover these galaxies, and to also more clearly understand how they formed, as they are likely to provide new insight into and constraints on models of structure formation and the nature of dark matter.

研究动机与目标

• 确定Illustris ΛCDM模拟中暗物质匮乏星系的频率与特性。
• 评估类似NGC1052-DF2的星系——此前报道其M_dm/M_star值较低——是否能在标准ΛCDM框架下自然形成。
• 研究极端暗物质匮乏星系（尤其是大质量且紧凑的星系）的形成机制。
• 基于恒星质量和光度，评估此类星系的观测可探测性。
• 探讨这些星系是否能为结构形成与暗物质模型提供新的约束。

提出的方法

• 分析Illustris模拟，即在平面-ΛCDM框架下进行的大规模流体动力学宇宙结构形成模拟。
• 识别M_dm/M_star < 1的子晕，将其分类为暗物质匮乏星系。
• 利用时间序列快照中的粒子数据，追踪特定子晕（特别是子晕476171）的演化历史。
• 测量恒星质量与暗物质质量、半质心半径及运动学特性，以表征星系的结构与动力学。
• 将模拟得到的星系统计特性与NGC1052-DF2及其他超弥散星系的观测约束进行比较。
• 使用统计分析估算恒星质量约为2×10^8 M_sun或10^9 M_sun的星系中，暗物质匮乏星系所占比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Illustris ΛCDM模拟中，暗物质匮乏星系（M_dm/M_star < 1）的普遍性如何？
• RQ2 具有类似NGC1052-DF2特性（低M_dm/M_star与中等恒星质量）的星系是否能在ΛCDM框架下自然形成？
• RQ3 导致极端暗物质匮乏大质量星系（如子晕476171）形成的物理机制是什么？
• RQ4 在ΛCDM模型中，恒星质量约为2×10^8 M_sun或10^9 M_sun的星系中，预计有多少比例是暗物质匮乏的？
• RQ5 这些暗物质匮乏星系是否可观测？它们能否作为探测暗物质物理的探针？

主要发现

• Illustris模拟产生了大量恒星质量约为2×10^8 M_sun、且M_dm/M_star < 1的暗物质匮乏星系，与NGC1052-DF2类似。
• 模拟中还存在更明亮、更质量更大的暗物质匮乏星系，包括子晕476171（M_star ≈ 9×10^10 M_sun，M_dm/M_star ≈ 0.1）。
• 子晕476171是一个紧凑的大质量星系，其半恒星质量半径约为2 kpc，表明其在结构上属于异常体。
• 子晕476171的形成可能涉及其母晕中一个紧密束缚星团的喷射，导致大部分暗物质损失，而恒星结构得以保留。
• 模拟预测，在ΛCDM模型中，恒星质量约为2×10^8 M_sun的星系中，暗物质匮乏星系占比超过0.7%；恒星质量约为10^9 M_sun的星系中，占比超过0.4%。
• 鉴于其r波段星等约为-21，子晕476171足够明亮，可在深空光学巡天中被探测到，因此是理想的观测目标。