[论文解读] Is Dark Matter in Spiral Galaxies Cold Gas? I. Observational Constraints and Dynamical Clues About Galaxy Evolution

D. Pfenniger, F. Combes+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 1993

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 54

一句话总结

该论文提出，旋涡星系中的暗物质主要为旋转支撑的冷分子气体，具有动力学稳定性，可解决平坦旋转曲线和气体快速消耗等关键难题。论文认为，外盘中观测到的暗物质与HI质量比恒定性以及富含气体的相互作用现象，源于因不均匀性和高光学深度导致的气体质量低估，提出气态暗物质起源可调和动力学约束与星系演化模型之间的矛盾。

ABSTRACT

Based on dynamical constraints about the Hubble sequence evolution, observational data and a number of "conspiracies", we propose that the dark matter around spiral galaxies is in the form of cold gas, essentially in molecular form and rotationally supported. (full A&A paper (in press) available by anonymous ftp at obssd8.unige.ch in /pub/fractal as postscript file: dm_paper_I.ps (170k), or papers I & II + figures as a compressed tar file dm_papers.Z.tar (2.1 Mb)).

研究动机与目标

• 通过提出气态暗物质起源，解决旋涡星系中平坦旋转曲线这一长期存在的谜题。
• 调和外盘中观测到的暗物质与HI质量比恒定性与动力学演化模型之间的矛盾。
• 通过重新评估气体质量估计，解决气体耗尽速度超过观测值的“气体消耗问题”。
• 探究观测到的暗物质与HI质量比之间的“协同现象”是否可由不均匀性导致的气体质量低估来解释。
• 评估冷、致密气体盘在宇宙时标上是否具有动力学稳定性和自洽性，作为粒子型暗物质模型的可行替代方案。

提出的方法

• 分析哈勃序列演化，强调由棒状结构和星系核球增长驱动的缓慢演化，推断旋涡星系演化的时间尺度为1–2 Gyr。
• 应用来自旋转曲线和HI 21 cm观测的动力学约束，推断质量分布与暗物质含量。
• 使用N体模拟和稳定性理论（如Kalnajs 1987）评估晕态结构的作用，以及在富含气体的盘中棒结构形成的可行性。
• 评估星际介质不均匀性对气体质量估计的影响，特别是高光学深度和与CMB热平衡的影响。
• 通过内部不稳定性与恒星形成，建模从富含气体、不稳定的盘向稳定、指数分布的系统转变的过程。
• 提出由于不均匀性和高柱密度，HI质量测量可能低估总气体质量达10倍或更多。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋涡星系的平坦旋转曲线是否可由旋转支撑的冷分子气体盘而非粒子型暗物质来解释？
• RQ2 为何旋涡星系外盘中暗物质与HI质量比近似恒定？
• RQ3 如何调和星际气体快速耗尽时标与旋涡星系长期稳定性的矛盾？
• RQ4 星际介质的不均匀、致密结构在多大程度上导致HI巡天中总气体质量的系统性低估？
• RQ5 冷、气态暗物质组分在宇宙时标上是否具有动力学稳定性和自洽性？

主要发现

• 若暗物质为高光学深度、不均匀的冷分子气体，则外盘中观测到的暗物质与HI质量比恒定性可自然解释。
• 由于高柱密度和不均匀分布，HI 21 cm观测得到的气体质量估计可能低估真实气体质量达10倍或更多。
• 在考虑与3 K CMB热平衡的前提下，冷、致密气体盘的动力学稳定性问题比以往认为的更不严重。
• 在1–2 Gyr内，棒驱动的缓慢演化可将富含气体的Sd型旋涡星系转化为以核球为主导的Sa型星系，表明存在快速的内部演化过程。
• 在整个哈勃序列中观测到的暗物质与HI质量比的“协同现象”暗示暗物质可能通过气态阶段转化为恒星。
• 核合成约束允许重子暗物质贡献Ωb ≈ 0.1，与星系盘中提出的冷气体组分一致。