[论文解读] Galaxy interactions: dark matter vs. Modified Newtonian dynamics (MOND)

Michal Bílek|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 119被引用 3

一句话总结

本博士论文开发了新颖的方法，利用星系合并形成的星环结构，测试椭圆星系中修正牛顿动力学（MOND）的理论。通过分析星环半径与运动学特性，作者证明MOND在NGC 3923星系中可与观测结果一致，且在极低加速度下依然成立，并预测了一个此前未被发现的大型星环。尽管进行了深度成像，该星环仍未被探测到，凸显了对更高质量数据和未来高分辨率光谱观测的需求，以进一步检验径向轨道系统中的MOND理论。

ABSTRACT

(doctoral thesis of Michal Bilek, finished on June 19, 2015) MOND is an observational rule for predicting the acceleration of stars and galaxies from the distribution of the visible matter. It possibly stems from a new law of physics. I list the theoretical aspects of MOND, its achievements and problems. MOND has been tested mainly in disc galaxies so far. Its tests in elliptical galaxies are rare because the MOND effects are small for them in the parts observable by the conventional methods. In the thesis, I explain the methods and ideas I developed for testing MOND in the ellipticals using stellar shells. Moreover, the shells enable us to test MOND for stars in radial orbits for the first time. The shells are results of galactic interactions. I discuss the shell formation mechanisms and summarize the findings from shell observations and simulations. The thesis contains as yet unpublished results mainly in: 1) the introduction of Sect. 3 (the expected differences in the shell morphology in the Newtonian dynamics with dark matter and in MOND), and 2) Sect. 2.4.1 (formulas for modeling the evolution of shell radii).

研究动机与目标

• 开发用于测试椭圆星系中MOND的方法，因为MOND效应在此类星系中较弱，且传统测试手段有限。
• 利用由小质量并合形成的星环，作为低加速度区域引力动力学的探测工具。
• 检验MOND是否能一致预测椭圆星系NGC 3923中星环的半径与运动学特性。
• 基于MOND理论预测NGC 3923中一个新大型星环的存在，并利用超深度成像技术搜索该星环。
• 探索星环光谱在径向轨道系统中测试MOND对圆周速度与膨胀速度预测的潜力。

提出的方法

• 开发了一套从径向表面亮度分布中识别与建模星环系统的方法，以约束引力势能分布。
• 应用解析模型预测轴对称系统中的星环半径，包括此前未发表的精确公式。
• 以相位包裹的小质量并合模型作为主要形成机制，该机制已通过模拟与观测结果验证。
• 基于总重子质量与MOND插值函数，计算MOND预测的星环半径。
• 基于星环光谱建模速度轮廓，以MOND假设为基础推导膨胀速度与圆周速度。
• 在加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）进行超深度成像，表面亮度极限达29 mag arcsec⁻²，以搜索预测的星环。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOND能否解释NGC 3923星系中加速度低于1.2×10⁻¹⁰ m s⁻²时星环的径向分布？
• RQ2 MOND是否预测NGC 3923中存在一个此前未被探测到的大型星环？该星环能否通过深度成像观测到？
• RQ3 在MOND与含暗物质的牛顿动力学中，星环运动学（特别是膨胀速度与圆周速度）有何差异？
• RQ4 NGC 3923中观测到的42个星环的高数量是否有助于区分MOND与暗物质模型？
• RQ5 MOND中的动力摩擦效应与牛顿动力学有何不同？其影响能否通过星环形态得到约束？

主要发现

• NGC 3923中星环的径向分布与MOND预测一致，可延伸至约1.2×10⁻¹⁰ m s⁻²的加速度水平。
• 基于MOND理论预测NGC 3923中存在一个新大型星环，但尽管进行了超深度成像（表面亮度极限达29 mag arcsec⁻²），该星环仍未被探测到。
• 未能探测到预测星环表明，此前分析中所用数据质量较差，因此必须重新确定星环系统属性。
• NGC 3923中探测到的42个星环表明其经历复杂的并合历史，至少包含两个并合体，其中一个仍可被观测到。
• 在MOND理论下，大型星环的光谱预期可提供由总重子质量决定的膨胀速度与圆周速度，构成一项新的可检验预测。
• 星环系统的形态与运动学特性为MOND与含暗物质的牛顿动力学中动力摩擦差异提供了独特探测手段，但该结论仍需通过自洽模拟实现完整验证。