[论文解读] Dwarf stellar haloes: a powerful probe of small-scale galaxy formation and the nature of dark matter

Sownak Bose, Azadeh Fattahi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用 38

一句话总结

该论文利用N体宇宙学模拟与经验性星系模型，表明矮星系星系晕对小尺度星系形成与暗物质物理极为敏感。研究发现，在低质量矮星系中，次要并合主导了星系晕的形成，且中等质量比（约1:5）最有利于远距离星系晕的形成；暖暗物质会抑制次要并合，而星系晕可通过银河系星系晕中的叠加或相空间重叠流被探测到。

ABSTRACT

We use N-body cosmological simulations and empirical galaxy models to study the merger history of dwarf-mass galaxies (with Mhalo∼1010M⊙⁠). Our input galaxy models describe the stellar mass–halo mass relation, and the galaxy occupation fraction. The number of major and minor mergers depends on the type of dark matter; in particular, minor mergers are greatly suppressed in warm dark matter models. In addition, the number of mergers that bring in stars is strongly dependent on the galaxy occupation model. For example, minor mergers are negligible for stellar halo growth in models with a high mass threshold for galaxy formation (i.e. 109.3M⊙ at z = 0). Moreover, this threshold for galaxy formation can also determine the relative difference (if any) between the stellar haloes of satellite and field dwarfs. Using isolated simulations of dwarf–dwarf mergers, we show that the relative frequency of major and minor mergers predict very different stellar haloes: Typically, ‘intermediate’ dark matter merger ratios (∼1:5) maximize the growth of distant stellar haloes. We discuss the observability of dwarf stellar haloes and find that the surface brightness of these features are incredibly faint. However, when several dwarfs are stacked together, models that form particularly rich stellar haloes could be detectable. Finally, we show that stellar streams in the Galactic halo overlapping in phase space with known dwarf satellites are likely remnants of their stripped stellar haloes. The mere existence of dwarf stellar haloes can already put constraints on some small-scale models, and thus observational probes should be a high priority.

研究动机与目标

• 研究在不同暗物质模型（CDM与WDM）下矮星系星系晕的形成与演化机制。
• 评估星系形成物理过程——特别是星系形成的晕质量阈值——对星系晕特性的影响。
• 评估微弱矮星系星系晕的可观测性，并识别可行的探测策略。
• 确定卫星与中心矮星系的星系晕是否因环境效应与并合历史而存在差异。
• 探索与已知矮星系卫星相空间重叠的星流是否可作为剥离星系晕的示踪器。

提出的方法

• 采用CDM与WDM初始条件的N体宇宙学模拟，以在矮星系质量尺度（Mhalo ~10^10 M⊙）上模拟晕与星系的组装过程。
• 采用经验性星系模型，结合星 stellar 质量-晕质量（SMHM）关系与星系占有分数，将星系分配至晕中。
• 对矮星系-矮星系并合进行孤立模拟，研究星系晕增长对并合质量比与束缚能的依赖性。
• 通过相空间与面亮度分析评估星系晕的可观测性，包括对多个矮星系进行叠加以提升信噪比。
• 比较红移z=0时中心与卫星矮星系的并合历史与晕结构特性。
• 利用模拟的星流与幸存矮星系之间的相空间重叠，测试其观测可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在矮星系质量晕中，并合的频率与性质（主要与次要）如何依赖于暗物质模型（CDM与WDM）？
• RQ2 星系形成的晕质量阈值在多大程度上影响矮星系星系晕的增长与结构？
• RQ3 在大半径区域（>0.1 r200）的扩展星系晕形成中，主要并合与次要并合的相对贡献如何？
• RQ4 矮星系星系晕能否被实际观测到？哪些策略（如叠加、星流探测）最具前景？
• RQ5 与已知银河系矮星系卫星在相空间重叠的星流，是否很可能起源于其前身星系的剥离星系晕？

主要发现

• 在暖暗物质（WDM）模型中，次要并合受到强烈抑制，导致其对星系晕增长的贡献显著低于冷暗物质（CDM）模型。
• 仅在星系形成模型中采用较高晕质量阈值（如z=0时为10^9.3 M⊙）时，卫星与中心矮星系星系晕之间的差异才显著，否则差异较小。
• 孤立的矮星系-矮星系并合模拟表明，中等质量比（约1:5）最有利于在大距离（>0.1 r200）处沉积恒星，该比例在束缚能与恒星质量输入之间达到最佳平衡。
• 在低晕质量阈值与浅SMHM关系的模型中，星系晕最可能产生可观测的面亮度特征，尤其在多个矮星系叠加后更为明显。
• 与已知矮星系卫星相空间重叠的星流，极有可能是其前身星系剥离星系晕的残余，因此是极具前景的观测目标。
• 星系晕的存在本身即可对星系形成与暗物质模型构成约束，特别是若未观测到此类星系晕，则可排除高阈值星系形成模型。