[论文解读] Milky Way and Andromeda past-encounters in different gravity models: the impact on the estimated Local Group mass

David Benisty, Eduardo Guendelman+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 23被引用 7

一句话总结

本研究利用时序法（Timing Argument）在不同引力模型下，探究银河系与仙女座星系（M31）过去相互作用对本星系群（LG）质量估计的影响。引入宇宙学常数使本星系群质量估计提高35%；若曾发生一次相互作用，质量估计值达9.99×10¹² M☉；而MOND模型仅在至少发生一次相互作用的前提下，才能重现观测到的重子物质质量，为未来模拟和替代引力理论检验提供了基准。

ABSTRACT

The Two-body problem of $M31$ and the Milky Way (MW) galaxies with a Cosmological Constant background is studied, with emphasis on the possibility that they experienced Past Encounters. By implementing the Timing Argument (TA), it is shown that if $M{31}$ and the MW have had more than one encounter then the deduced mass of the Local Group (LG) would be larger. Past encounters are possible only for non-zero transverse velocity, and their viability is subject to observations of the imprints of such near collisions. Using a recent $Gaia$ - based measurement of the transverse velocity we show that the presence of the Cosmological Constant requires the mass for the LG to be $35\%$ higher: $3.36^{+1.14}_{-0.70} \cdot 10^{12} M_{\odot}$ with no Cosmological Constant or $4.54^{+1.20}_{-0.75} \cdot 10^{12} M_{\odot}$ with a Cosmological Constant background. If the LG has had one past encounter, the LG mass is $9.99^{+2.22}_{-1.58}\cdot 10^{12} M_{\odot}$ with a Cosmological Constant background. Modified Newtonian Dynamics (MOND) is studied as the accelerations of the Local Group are fully in the deep-MOND regime. MOND yields the order of magnitude for the expected baryonic mass only if at least one encounter occurred. While we only consider the LG as two point masses, our calculations provide a benchmark for future work with simulations to test Dynamical Friction and other effects. This model can be also used to test screening mechanisms and alternative theories of gravity.

研究动机与目标

• 评估银河系与M31过去相互作用对基于时序法估算的本星系群质量的影响。
• 评估在双体问题框架下，宇宙学常数对本星系群质量估计的影响。
• 检验修正牛顿动力学（MOND）在深MOND条件下解释本星系群观测重子物质质量的可行性。
• 为未来涉及动力摩擦与替代引力理论的模拟建立理论基准。
• 确定对横向速度的观测约束是否支持过去相互作用的发生及其对质量估计的影响。

提出的方法

• 在宇宙学常数背景下的银河系与M31双体问题模型中，评估其对轨道动力学的影响。
• 应用时序法（TA）从M31与银河系的径向速度和横向速度推导本星系群的总质量。
• 结合基于盖亚（Gaia）的M31横向速度最新测量结果，以约束过去相互作用的可能性。
• 模型假设本星系群为两个质点，简化系统以实现轨道历史的解析处理。
• 将修正牛顿动力学（MOND）应用于该系统，评估其在深MOND条件下能否重现观测到的重子物质质量。
• 通过对比有无相互作用历史时的结果，在标准引力与MOND框架下量化过去相互作用对质量估计的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用时序法时，引入宇宙学常数如何影响本星系群质量的估计？
• RQ2 若银河系与M31曾发生一次或多次相互作用，本星系群的最小质量需求是多少？
• RQ3 若至少发生过一次过去相互作用，修正牛顿动力学（MOND）能否重现本星系群观测到的重子物质质量？
• RQ4 横向速度测量如何约束银河系与M31之间发生过去相互作用的可能性？
• RQ5 过去相互作用对本星系群中筛选机制与替代引力理论的检验有何影响？

主要发现

• 引入宇宙学常数使本星系群质量估计提高35%，估计值为4.54⁺¹.²⁰₋₀.⁷⁵×10¹² M☉，而未引入时为3.36⁺¹.¹⁴₋₀.⁷⁰×10¹² M☉。
• 若曾发生一次相互作用，在宇宙学常数背景下的本星系群质量显著增加至9.99⁺².²²₋₁.⁵⁸×10¹² M☉。
• 修正牛顿动力学（MOND）仅在至少发生一次相互作用的前提下，才能对本星系群重子物质质量给出一致的数量级估计。
• 只有当M31具有非零横向速度时，过去相互作用才成立，而这一条件得到近期盖亚测量结果的支持。
• 该模型为未来N体模拟提供了理论基准，可用于检验本星系群中的动力摩擦及其他非理想效应。
• 结果表明，若能证实过去相互作用的存在，替代引力理论（如MOND）或可通过本星系群的动力学历史得到检验。