[论文解读] Notes on the Missing Satellites Problem

James S. Bullock|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用 14

一句话总结

本文研究了ΛCDM宇宙学中的缺失卫星问题，即模拟预测的暗物质亚晕数量远超实际观测到的卫星星系数量。文章认为，超微弱和‘隐形’星系——因过于暗淡和弥散而难以探测——可能解释了缺失的卫星。动力学与完备性研究一致指向一个临界质量尺度，约为 $ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $，表明再电离反馈和冷却抑制是关键机制。

ABSTRACT

The Missing Satellites Problem (MSP) broadly refers to the overabundance of predicted Cold Dark Matter (CDM) subhalos compared to satellite galaxies known to exist in the Local Group. The most popular interpretation of the MSP is that the smallest dark matter halos in the universe are extremely inefficient at forming stars. The question from that standpoint is to identify the feedback source that makes small halos dark and to identify any obvious mass scale where the truncation in the efficiency of galaxy formation occurs. Among the most exciting developments in near-field cosmology in recent years is the discovery of a new population satellite galaxies orbiting the Milky Way and M31. Wide field, resolved star surveys have more than doubled the dwarf satellite count in less than a decade, revealing a population of ultrafaint galaxies that are less luminous that some star clusters. For the first time, there are empirical reasons to believe that there really are missing satellite galaxies in the Local Group, lurking just beyond our ability to detect them, or simply inhabiting a region of the sky that has yet to have been surveyed. Both kinematic studies and completeness-correction studies seem to point to a characteristic potential well depth for satellite subhalos that is quite close to the mass scale where photoionization and atomic cooling should limit galaxy formation. Among the more pressing problems associated with this interpretation is to understand the selection biases that limit our ability to detect the lowest mass galaxies. The least massive satellite halos are likely to host stealth galaxies with very-low surface brightness and this may be an important limitation in the hunt for low-mass fossils from the epoch of reionization.

研究动机与目标

• 调和ΛCDM模拟中预测的冷暗物质（CDM）亚晕数量过多与本地星系群中实际观测到的卫星星系数之间的矛盾。
• 识别在低质量晕中抑制星系形成的主要物理机制，特别是反馈与冷却抑制的作用。
• 评估当前巡天中可能阻碍探测低表面亮度、超微弱‘隐形’星系的选择偏差。
• 确定在考虑完备性与表面亮度效应后，银河系卫星的质量函数是否与ΛCDM模拟的预测一致。

提出的方法

• 利用恒星速度 dispersion 的动力学质量估计，推断已知银河系卫星的亚晕质量（$ M_{300} $）。
• 应用完备性校正技术，基于巡天深度与覆盖面积估算可探测卫星的总数。
• 将ΛCDM模拟预测的亚晕数量与实际观测到的卫星数量进行比较，同时考虑光度与表面亮度的探测极限。
• 分析动力学质量函数与完备性校正后的光度函数之间的一致性，以识别特征质量尺度。
• 评估原子冷却与光离化反馈在低质量处截断星系形成的作用，特别是接近 $ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $ 时。
• 利用表面亮度与恒星分布约束，建模‘隐形’星系——即弥散、低表面亮度系统——的潜在存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低质量暗物质亚晕中，星系形成效率显著下降的质量尺度为何？该尺度是否与原子冷却或光离化等物理阈值一致？
• RQ2 当前巡天中的选择偏差——特别是表面亮度限制——在多大程度上解释了银河系卫星中光度与亚晕质量之间缺乏相关性的现象？
• RQ3 银河系晕中可能存在多少尚未被探测到的低光度卫星星系？其中有多大比例可被归类为‘隐形’星系？
• RQ4 动力学质量估计与完备性校正后的光度函数是否独立指向同一特征亚晕质量尺度？这对反馈模型有何启示？
• RQ5 通过存在一个目前尚未探测到的、超微弱且弥散的星系群体，是否可以解决预测与观测卫星数量之间的差异？

主要发现

• 动力学质量测量与完备性校正研究均指向一个特征亚晕质量尺度 $ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $，对应 $ M_{300} \simeq 10^7\,M_\odot $，在此尺度附近星系形成效率似乎急剧下降。
• 估计银河系晕中存在约400个光度与目前已知最微弱矮球状星系相近的卫星星系，表明目前巡天中可能缺失超过100个卫星。
• 大量预测的卫星星系（可能超过一半）在光度上与已知的超微弱dSph相近，但由于表面亮度过低而未被探测到，因此可被归类为‘隐形’星系。
• 银河系卫星中光度与 $ M_{300} $ 或 $ V_{\rm max} $ 之间缺乏相关性，可能源于表面亮度选择效应，尤其是在最暗端。
• 质量尺度 $ V_{\rm max} \simeq 15\,\text{km}\,\text{s}^{-1} $ 与原子冷却抑制和光离化加热的理论阈值高度一致，表明这些过程可能是抑制低质量晕中星系形成的主要反馈机制。
• 未来巡天如LSST和30米级望远镜预计在未来十年内探测到数百个此前隐藏的、低表面亮度的卫星星系，从而解决缺失卫星问题。