[论文解读] Mass models of disk galaxies from the DiskMass Survey in MOND

G. W. Angus, Gianfranco Gentile+5 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用 7

一句话总结

本研究利用DiskMass Survey的高精度运动学数据，测试了修正牛顿动力学（MOND）理论，采用MOND泊松求解器同时模拟旋转曲线与垂直速度弥散剖面。结果表明，MOND要求恒星盘异常纤薄（200–400 pc）才能匹配观测，这与侧向星系的测量结果相矛盾，且在合理参数范围内无法调和此矛盾。

ABSTRACT

This article explores the agreement between the predictions of Modified Newtonian Dynamics (MOND) and the rotation curves and stellar velocity dispersion profiles measured by the DiskMass Survey. A bulge-disk decomposition was made for each of the thirty published galaxies, and a MOND Poisson solver was used to simultaneously compute, from the baryonic mass distributions, model rotation curves and vertical velocity dispersion profiles, which were compared to the measured values. The two main free parameters, the stellar disk's mass-to-light ratio ($M/L$) and its exponential scale-height ($h_z$), were estimated by Markov Chain Monte Carlo modelling. The average best-fit K-band stellar mass-to-light ratio was $M/L \simeq 0.55 \pm 0.15$. However, to match the DiskMass Survey data, the vertical scale-heights would have to be in the range $h_z=200$ to $400$ pc which is a factor of two lower than those derived from observations of edge-on galaxies with a similar scale-length. The reason is that modified gravity versions of MOND characteristically require a larger $M/L$ to fit the rotation curve in the absence of dark matter and therefore predict a stronger vertical gravitational field than Newtonian models. It was found that changing the MOND acceleration parameter, the shape of the velocity dispersion ellipsoid, the adopted vertical distribution of stars, as well as the galaxy inclination, within any realistic range, all had little impact on these results.

研究动机与目标

• 测试修正牛顿动力学（MOND）是否能同时再现盘星系的观测旋转曲线与垂直速度弥散剖面。
• 通过垂直动力学的独立约束，打破暗物质晕质量与恒星质量-光度比（M/L）之间的退化。
• 评估MOND是否能在不引入暗物质的前提下解释近面朝向盘星系的动力学行为。
• 研究盘星系的观测恒星标高是否与MOND预测一致。
• 确定在合理参数范围内，MOND对垂直速度弥散与旋转曲线的预测是否能与DiskMass Survey数据相容。

提出的方法

• 对30个DiskMass Survey星系进行核球-盘分解，以分离出重子质量分布。
• 应用MOND泊松求解器，从重子质量模型计算模型旋转曲线与垂直速度弥散剖面。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，联合拟合恒星盘的质量-光度比（M/L）与标高（hz）。
• 探索MOND加速度参数、插值函数、速度弥散张量形状及星系倾角的变化对模型的影响。
• 将模型预测与DMS观测的旋转曲线及视线方向速度弥散剖面进行比较。
• 采用二维柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫（K-S）检验，评估预测与观测弥散剖面之间的统计相容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOND能否同时再现DiskMass Survey中近面朝向盘星系的旋转曲线与垂直速度弥散剖面？
• RQ2 为拟合DMS数据，MOND所需的恒星质量-光度比（M/L）与标高（hz）为何值？这些值是否具有物理解释？
• RQ3 MOND加速度参数、速度弥散张量形状及星系倾角的变化如何影响模型拟合效果？
• RQ4 MOND预测的盘标高是否与具有相似尺度长度的侧向星系观测结果一致？
• RQ5 MOND能否解释盘星系中观测到的动力学面密度与光度面密度关系？

主要发现

• MOND中最佳拟合的K波段恒星质量-光度比为M/L ≈ 0.55 ± 0.15，与恒星群体合成模型一致。
• MOND预测恒星盘必须具有200至400 pc的标高才能匹配DMS数据，这比侧向星系中观测到的值薄了两倍。
• 该矛盾具有鲁棒性：在合理范围内改变MOND加速度参数、速度弥散张量形状或星系倾角，均无法缓解此矛盾。
• 除非将盘倾角人为增加30–40%，否则观测到的垂直速度弥散与旋转速度与MOND不相容。
• 即使采用更高倾角，由此产生的旋转速度仍违反高倾角星系中已确立的亮物质Tully-Fisher关系。
• MOND正确预测了低面亮度星系偏离简单动力学-光度面密度关系的偏离趋势，但在盘厚度约束上失败。