[论文解读] Local-Group tests of dark-matter Concordance Cosmology: Towards a new paradigm for structure formation

Pavel Kroupa, Benoît Famaey+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 215被引用 143

一句话总结

本文通过识别共动宇宙学模型（CCM）与本星系群中银河系卫星观测之间的五个关键不一致，挑战了CCM。该研究提出，潮汐矮星系（TDGs）在耗散性星系并合过程中形成——而非暗物质亚晕——可解释观测到的卫星分布、相空间相关性及质量-光度关系，从而在非牛顿弱场框架（如MOND）下为CDM提供一个自洽的替代方案。

ABSTRACT

(abridged) Predictions of the Concordance Cosmological Model (CCM) of the structures in the environment of large spiral galaxies are compared with observed properties of Local Group galaxies. Five new most probably irreconcilable problems are uncovered. However, the Local Group properties provide hints that may lead to a solution of the above problems The DoS and bulge--satellite correlation suggest that dissipational events forming bulges are related to the processes forming phase-space correlated satellite populations. Such events are well known to occur since in galaxy encounters energy and angular momentum are expelled in the form of tidal tails, which can fragment to form populations of tidal-dwarf galaxies (TDGs) and associated star clusters. If Local Group satellite galaxies are to be interpreted as TDGs then the sub-structure predictions of CCM are internally in conflict. All findings thus suggest that the CCM does not account for the Local Group observations and that therefore existing as well as new viable alternatives have to be further explored. These are discussed and natural solutions for the above problems emerge.

研究动机与目标

• 将共动宇宙学模型（CCM）的预测与本星系群星系的观测特性进行对比。
• 识别CCM预测与银河系系统中观测到的卫星分布、质量函数及关联性之间的差异。
• 探讨在耗散性星系并合中形成的潮汐矮星系（TDGs）是否能解释观测到的卫星形态与相空间相关性。
• 评估非牛顿弱场动力学框架（如MOND）是否比CDM模型提供更一致的解释。

提出的方法

• 将CCM对银河系卫星的质量-光度关系的预测与观测数据进行比较。
• 分析CCM模拟中发光亚晕的质量函数，并与观测到的银河系卫星质量进行对比。
• 研究银河系及其他星系中星系核球质量与卫星数量之间的关联性，以检验CCM的预测。
• 调查24个银河系卫星（11个经典星系+13个极端暗淡星系）的空间与运动学一致性，识别出卫星盘（DoS）结构。
• 评估在CCM框架下，两个银河系类暗物质晕质量能否容纳银河系类星系的可能性。
• 提出一种修改后的结构形成情景：纯粹的重子星系并合可产生TDGs，从而形成具有关联性的卫星群。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何CCM预测中银河系卫星星系不存在质量-光度关系，尽管模型输出一致要求存在该关系？
• RQ2 为何CCM预测在300 pc范围内存在大量低质量暗物质亚晕（≈10^7 M⊙），而观测中未发现此类发光子群？
• RQ3 为何观测到星系核球质量与发光卫星数量之间存在强烈相关性，而CCM无法重现这一现象？
• RQ4 为何24个银河系卫星（经典与极端暗淡星系）在相空间中形成一致的卫星盘（DoS）结构，与CCM所预期的各向同性相矛盾？
• RQ5 为何在CCM中，两个银河系类晕质量同时容纳银河系类星系的事件被认为极不可能，以及如何解决此问题？

主要发现

• 观测中未发现银河系卫星星系的质量-光度关系，这与CCM一致预测中要求存在该关系相矛盾。
• CCM预测在银河系卫星周围300 pc范围内存在大量低质量暗物质亚晕（≈10^7 M⊙），但此类亚晕在发光星系子群中并未被观测到。
• 观测到星系核球质量与发光卫星数量之间存在强烈相关性，而CCM无法预测该现象，表明其可能与耗散性并合事件存在动力学关联。
• 24个银河系卫星（11个经典星系+13个极端暗淡星系）在相空间中形成一致的卫星盘（DoS）结构，表明存在强烈的空间与运动学相关性，与CCM的各向同性预期不一致。
• 在CCM中，两个银河系类暗物质晕同时容纳银河系类星系的可能性极低，表明该模型在统计预测上存在根本性问题。
• 若观测到的卫星特性源于在耗散性星系并合过程中形成的潮汐矮星系（TDGs），则可自然解释这些特性：TDGs可产生具有关联性的卫星群，并解释相空间的一致性。