[论文解读] Evolution of globular-cluster systems of ultra-diffuse galaxies due to dynamical friction in MOND gravity

Michal Bílek, Hongsheng Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 133被引用 13

一句话总结

本研究利用高分辨率N体模拟，检验孤立超弥散星系（UDG）中球状星团（GCs）在修正牛顿动力学（MOND）下的动力摩擦。结果证实，Sánchez-Salcedo提出的MOND动力摩擦公式对轨道远星点半径超过0.5倍有效半径的单个GC适用良好；同时表明，UDG中的GC系统因核心停滞机制而难以形成核星团，导致其速度 dispersion 低于宿主恒星，支持MOND在星系尺度动力学中的可行性。

ABSTRACT

<i>Context.<i/> Dynamical friction can be used to distinguish Newtonian gravity and modified Newtonian dynamics (MOND) because it works differently in these frameworks. This concept, however, has yet to be explored very much with MOND. Previous simulations showed weaker dynamical friction during major mergers for MOND than for Newtonian gravity with dark matter. Analytic arguments suggest the opposite for minor mergers. In this work, we verify the analytic predictions for MOND by high-resolution <i>N<i/>-body simulations of globular clusters (GCs) moving in isolated ultra-diffuse galaxies (UDGs).<i>Aims.<i/> We test the MOND analog of the Chandrasekhar formula for the dynamical friction proposed by Sánchez-Salcedo on a single GC. We also explore whether MOND allows GC systems of isolated UDGs to survive without sinking into nuclear star clusters.<i>Methods.<i/> The simulations are run using the adaptive-mesh-refinement code Phantom of Ramses. The mass resolution is 20 <i>M<i/><sub>⊙<sub/> and the spatial resolution 50 pc. The GCs are modeled as point masses.<i>Results.<i/> Simulations including a single GC reveal that, as long as the apocenter of the GC is over about 0.5 effective radii, the Sánchez-Salcedo formula works excellently, with an effective Coulomb logarithm increasing with orbital circularity. Once the GC reaches the central kiloparsec, its sinking virtually stops, likely because of the core stalling mechanism. In simulations with multiple GCs, many of them sink toward the center, but the core stalling effect seems to prevent them from forming a nuclear star cluster. The GC system ends up with a lower velocity dispersion than the stars of the galaxy. By scaling the simulations, we extend these results to most UDG parameters, as long as these UDGs are not external-field dominated. We verify analytically that approximating the GCs by point masses has little effect if the GCs have the usual properties, but for massive GCs such as those observed in the NGC 1052-DF2 galaxy, further simulations with resolved GCs are desirable.

研究动机与目标

• 测试Sánchez-Salcedo为超弥散星系（UDG）中球状星团（GCs）提出的MOND版钱德拉塞卡动力摩擦公式的适用性。
• 研究孤立UDG中的GC系统在MOND引力作用下是否能避免因向中心核星团坍缩而耗散。
• 评估GC质量函数与内部动力学对MOND中GC系统演化的影响。
• 评估在模拟中将GC视为质点近似的有效性，特别是针对NGC1052-DF2中类似质量的GC。
• 探讨MOND与牛顿引力在动力摩擦上的差异对星系演化的影响，尤其在小质量并合事件中的作用。

提出的方法

• 使用自适应网格细化代码Phantom of Ramses进行高分辨率N体模拟，质量空间分辨率为20 M⊙，空间分辨率为50 pc。
• 将GCs建模为质点，模拟其在孤立UDG中深MOND条件下的轨道演化。
• 应用Sánchez-Salcedo公式计算MOND动力摩擦，并通过模拟的轨道衰减速率验证其准确性。
• 利用标度律将结果外推至广泛的UDG参数范围，假设无外部场效应（EFE）主导。
• 结合模拟与解析估算，评估GC-GC相互作用引起的内部能量变化的作用。
• 评估100亿年中GC系统速度 dispersion 与空间分布的变化，以推断其动力学演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sánchez-Salcedo提出的MOND动力摩擦公式是否能准确预测孤立UDG中单个球状星团的轨道衰减？
• RQ2 在MOND中，由于核心停滞机制，孤立UDG中的GC系统是否能避免形成核星团？
• RQ3 GC-GC相互作用在MOND中如何影响GC系统的下落过程，特别是对NGC1052-DF2中类似质量的GC？
• RQ4 在MOND模拟中，GC的质点近似是否有效？还是内部能量变化会显著改变其轨道演化？
• RQ5 在涉及球状星系的小质量并合情景中，MOND中的动力摩擦与牛顿引力相比有何差异？

主要发现

• 只要GC的远星点半径超过约0.5倍有效半径，Sánchez-Salcedo提出的MOND动力摩擦公式能准确预测单个GC的轨道衰减，且有效库仑对数随轨道圆度增加而增大。
• 当GC进入中心千秒差距区域后，其下落因核心停滞机制而停止，从而防止其快速坍缩至星系中心。
• 在多GC模拟中，尽管许多星团向中心迁移，但核心停滞机制阻止其合并成核星团，从而保持GC系统的速度 dispersion 低于宿主恒星系统。
• 模拟显示，具有标准质量函数的GC系统在100亿年间从3.5 kpc扩展至2 kpc的三维半数半径，表明100亿年前GC系统形成时的尺度几乎大了一倍。
• 观测到GC系统中存在质量分离现象，表明更高质量的星团迁移更快，这是一个可检验的观测预测。
• 对于类似NGC1052-DF2中的GC，GC-GC相互作用预计会向约一半的星团转移与其牛顿引力束缚能相当的能量，可能加速其下落并增加形成核星团的风险——这凸显了对高分辨率GC模拟的迫切需求。