[论文解读] Galaxy merging in MOND

Carlo Nipoti, P. Londrillo+1 more|May 31, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用 26

一句话总结

本研究利用N体模拟研究了修正牛顿动力学（MOND）中的无耗散星系并合，与含暗物质晕的牛顿引力模型进行对比。结果发现，由于动力摩擦较弱且相空间混合较慢，MOND中的并合 timescale 显著更长，但最终的恒星结构与含暗物质的牛顿并合几乎无法区分，表明快速并合的观测证据更支持暗物质模型而非MOND。

ABSTRACT

We present the results of N-body simulations of dissipationless galaxy merging in Modified Newtonian Dynamics (MOND). For comparison, we also studied Newtonian merging between galaxies embedded in dark matter halos, with internal dynamics equivalent to the MOND systems. We found that the merging timescales are significantly longer in MOND than in Newtonian gravity with dark matter, suggesting that observational evidence of rapid merging could be difficult to explain in MOND. However, when two galaxies eventually merge, the MOND merging end-product is hardly distinguishable from the final stellar distribution of an equivalent Newtonian merger with dark matter.

研究动机与目标

• 检验MOND中的星系并合是否会产生与牛顿引力下含暗物质晕的星系并合可区分的可观测特征。
• 研究在无耗散星系并合过程中，MOND中动力摩擦和弛豫过程的有效性。
• 比较MOND与等效牛顿系统（含暗物质）的并合 timescale 及最终结构特性。
• 评估快速星系并合的观测证据是否能与MOND的非线性引力及缺乏暗物质晕相协调。
• 探讨MOND的非线性引力对星系相互作用动力学的影响，特别是在潮汐尾和相空间混合现象方面的意义。

提出的方法

• 使用基于Bekenstein提出的MOND形式的新型MOND N体代码进行模拟，每一步时间均求解非线性场方程 ∇·[μ(|∇ϕ|/a₀)∇ϕ] = 4πGρ。
• MOND势 ϕ 通过迭代计算，其中 μ(y) = y/√(1 + y²)，引力场与牛顿场的关系为 μ(g/a₀)g = g^N + S，其中 S 为无散度修正场。
• 初始条件采用相同、球对称的恒星Hernquist模型，ρ*(r) = M* r* / [2π r (r + r*)³]，并构建等效牛顿模型，使其暗物质晕与MOND系统的内部动力学相匹配。
• 粒子分布通过相空间分布函数生成：牛顿系统采用解析方法，MOND系统则通过Eddington反演进行数值计算。
• 模拟跟踪并合过程随时间的演化，分析密度剖面、速度 dispersion、半质心半径等结构、运动学和动力学特性。
• 对MOND并合、无暗物质的牛顿并合以及与MOND系统相匹配的含暗物质晕的牛顿并合进行对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOND中的星系并合是否发生在与快速并合观测一致的时间尺度上？
• RQ2 MOND并合的最终结构特性与含暗物质的牛顿并合相比如何？
• RQ3 MOND中的动力摩擦是否比含暗物质的牛顿引力中更无效？
• RQ4 能否将快速星系并合的观测频率与MOND的非线性引力及缺乏暗物质晕相协调？
• RQ5 与牛顿动力学相比，MOND中相空间混合和剧烈弛豫的速率如何影响并合过程？

主要发现

• MOND中的并合 timescale 显著长于含暗物质的牛顿引力模型，表明除非轨道参数被精细调节，否则MOND中快速并合极不可能发生。
• MOND并合的最终恒星密度剖面更陡峭（γ = 1.4–2.0），而等效牛顿并合的剖面较平缓（γ = 1.0–1.7），但差异不足以在观测上区分两种情形。
• 与含暗物质的牛顿并合相比，MOND并合的最终维里速度 dispersion σ_V 较低，半质心半径 r_M 较大。
• 尽管MOND中相空间混合和剧烈弛豫更缓慢，但最终并合产物的结构与含暗物质的牛顿引力模型几乎无法区分。
• 在牛顿动力学中能良好解释的相互作用星系中的潮汐尾和涟漪现象，在MOND中仍难以重现，原因在于动力摩擦更弱且弛豫更慢。
• 结果表明，快速星系并合的观测证据——在本地宇宙中常见——更支持暗物质假说而非MOND。