[论文解读] Fundamental properties of the dark and the luminous matter from Low Surface Brightness discs

Chiara Di Paolo, P. Salucci|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 254被引用 4

一句话总结

本篇综述通过单个及叠加旋转曲线的详细质量建模，研究了低表面亮度（LSB）星系中暗物质（DM）与发光物质（LM）的基本性质。研究揭示了引力加速度（g）与重子加速度（gb）之间存在紧密且具有物理意义的关系，该关系依赖于星系半径和盘面尺度长度，挑战了ΛCDM范式，并暗示LM与DM之间存在非引力相互作用。

ABSTRACT

Dark matter (DM) is one of the biggest mystery in the Universe. In this review, after a brief discussion of the DM evidences and the main proposed candidates and scenarios for the DM phenomenon, we focus on recent results on rotating disc galaxies giving a special attention to the Low Surface Brightness (LSB) galaxies. The main observational properties related to the baryonic matter in LSBs, investigated over the last decades, are briefly recalled. Next, the LSBs are analysed by means of the mass modelling of their rotation curves both individually and stacked. The latter analysis, via the Universal Rotation Curve (URC) method, results really powerful in giving a global/universal description of the disc galaxies properties. We show the presence in LSBs of scaling relations between the galactic structural properties and we compare them with those of galaxies of different morphologies. The findings confirm, for all disc systems, a strong entanglement between the luminous matter (LM) and the DM. Moreover, we report how in LSBs the tight relationship between their radial gravitational acceleration $g$ and their baryonic component $g_b$ results to also depend on the galactic radius at which the former have been measured. Finally, LSB galaxies strongly challenge the $Λ$CDM scenario with the relative collisionless dark particle and, alongside with the non-detection of the latter, contribute to guide us towards a new scenario for the DM phenomenon.

研究动机与目标

• 分析低表面亮度（LSB）星系的结构与动力学特性，以探究暗物质（DM）与发光物质（LM）之间的相互作用。
• 通过单个及叠加旋转曲线（RC）建模，检验LSB星系中旋转曲线（RC）关系的普适性。
• 研究LSB星系中观测到的g-gb关系是否暗示了发光物质与暗物质之间存在超越引力的直接相互作用。
• 通过突出LSB星系中的不一致之处，特别是WIMPs未被探测到的事实，挑战ΛCDM情景。
• 指导未来通过LSB星系的运动学与结构研究，探测暗物质本质的观测策略。

提出的方法

• 利用LSB星系的单个及叠加旋转曲线（RC）建模，推导质量分布并检验普遍关系。
• 应用通用旋转曲线（URC）方法，提取LSB系统全局且统计稳健的特性。
• 采用归一化半径 x ≡ r/Ropt，量化引力加速度g对重子加速度gb及星系结构的依赖性。
• 分析g-gb关系中的内在离散度，以评估该相关性的物理意义及其对盘面尺度长度的依赖性。
• 将LSB星系中的观测标度关系与正常旋涡星系进行比较，识别系统性差异。
• 考虑星系致密性（C⋆）与晕质量范围（5 dex）在塑造DM与LM分布中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSB星系中的g-gb关系是否依赖于星系结构参数，如盘面尺度长度和测量半径？
• RQ2 LSB星系中观测到的标度关系与正常旋涡星系相比在多大程度上存在差异？这对暗物质与发光物质普遍相关性意味着什么？
• RQ3 LSB星系中g-gb关系的紧密性能否仅由ΛCDM解释，还是需要引入发光物质与暗物质之间的非引力相互作用？
• RQ4 巨大LSB星系（具有HSB盘）的动力学与结构特性与矮型LSB星系有何不同？这揭示了晕质量演化中的何种信息？
• RQ5 何种观测策略最能有效探测LSB星系中发光物质与暗物质之间直接相互作用的存在？

主要发现

• 在LSB星系中观测到引力加速度g与重子加速度gb之间存在紧密关系，当以星系半径 x ≡ r/Ropt 进行归一化后，其内在离散度显著降低。
• LSB星系中的g-gb关系依赖于恒星盘尺度长度以及加速度的测量半径，表明LM与DM之间存在更深层次的物理联系。
• LSB星系与正常旋涡星系在结构关系上存在约0.2 dex的系统性差异，暗示其形成或演化历史不同。
• LSB星系中观测到的标度关系在形式上与其他形态星系的标度关系相当，表明在盘星系中发光物质与暗物质之间存在普遍纠缠。
• WIMPs未被探测到，加之LSB星系中g-gb关系的稳健性，强烈表明必须考虑超越引力的发光物质与暗物质之间的直接相互作用。
• 未来高红移运动学观测，以及ALMA、SKA、WFIRST和ELT等设备提升的分辨率，有望为LSB星系中DM与LM的演化及本质提供关键证据。