[论文解读] On the nature of the missing mass of galaxy clusters in MOND: the view from gravitational lensing

Benoît Famaey, Lorenzo Pizzuti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 1

一句话总结

本研究利用CLASH巡天的强弱引力透镜数据，在修正牛顿动力学（MOND）框架下分析星系团中残余的缺失质量。研究发现，其内部密度核心均匀，缺失质量与热气体密度之比约为10，截断半径约为400 kpc，表明存在一种‘暗质量随气体分布’的特征，可能对相对论性MOND理论或星系团中的其他暗物质假说构成约束。

ABSTRACT

Modified Newtonian Dynamics (MOND) has long been known to fail in galaxy clusters, implying a residual missing mass problem for clusters in this context. Here, using mass profiles derived from strong- and weak-lensing shear, as well as magnification data, for a sample of clusters from the CLASH survey, we characterize the density profile of this residual MOND missing mass in the central Mpc of galaxy clusters. In line with results obtained in the literature from the hydrostatic equilibrium of hot gas, we find that an inner constant density core and an outer power-law slope sharper than $-3.5$ provides a good description within $\sim 1$~Mpc. We also show that the data in the central parts of clusters can be even better represented by a `dark mass-follows-gas' profile with an exponential cut-off. Clusters in the sample display a remarkable uniformity for the missing-to-hot-gas density ratio in the inner parts, of order $\sim$10, as well as for the exponential cut-off radius, of order $\sim 400$~kpc. These lensing results can in principle serve as a crucible for relativistic theories of MOND in galaxy clusters, or for any other tentative hypothesis regarding the nature of the clusters residual missing mass in the MOND context.

研究动机与目标

• 在标准MOND无法解释观测动力学的背景下，探究星系团中残余缺失质量的性质。
• 利用CLASH巡天的强弱透镜剪切和放大率数据，表征该缺失质量的空间分布。
• 检验缺失质量分布是否与‘暗质量随气体分布’模型一致，或是否支持相对论性MOND的扩展形式。
• 将透镜反演的质量分布与动力学质量估计进行比较，以评估动力学质量重建中的系统性偏差。

提出的方法

• 利用CLASH巡天中17个星系团的强弱引力透镜剪切和放大率数据，重建总质量分布。
• 采用参数化模型——中心区域为恒定密度核心并具有幂律外推斜率与指数截断——拟合中心1 Mpc范围内的透镜反演质量分布。
• 将透镜反演的缺失质量（δM(r)）与重子组分（中心星系、热气体、成员星系）进行比较，以分离出残余缺失质量。
• 采用具有指数截断的‘暗质量随气体分布’模型，检验缺失质量与重子气体分布之间的相关性。
• 通过对多种质量分布和各向异性模型假设（gNFW、Einasto、Burkert、Hernquist）进行统计平均，以降低模型依赖性。
• 将结果与利用VLT和MUSE光谱数据获得的独立动力学质量估计进行比较，采用MG-MAMPOSSt代码建模速度各向异性和相空间分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MOND框架下，引力透镜约束条件下，星系团中残余缺失质量的空间分布如何？
• RQ2 星系团中的缺失质量分布是否遵循热星系际介质的分布，如‘暗质量随气体分布’模型所预测？
• RQ3 透镜反演的质量分布与动力学质量估计相比如何？差异意味着什么系统性不确定性？
• RQ4 缺失质量分布是否在所有星系团中表现出统一的核半径与密度比，暗示其具有共同的物理起源？
• RQ5 透镜数据能否对星系团环境中相对论性MOND扩展或其它暗物质模型构成约束？

主要发现

• 星系团中心1 Mpc范围内，残余缺失质量最符合具有外区幂律斜率超过−3.5的恒定密度核心模型，与CLASH巡天的透镜数据一致。
• 采用具有指数截断的‘暗质量随气体分布’模型，对星系团核心区域的透镜数据拟合效果更优。
• 样本中内区缺失质量与热气体密度之比极为一致，约为10。
• 缺失质量分布的指数截断半径在所有星系团样本中均稳定在约400 kpc，表明存在一个普适的空间尺度。
• 来自VLT和MUSE数据的动力学质量估计与透镜结果存在显著差异，尤其在中心区域，可能源于系统性偏差或未被考虑的背景结构影响。
• 透镜反演的缺失质量分布与一种具有独立空间分布、类似非重子成分的普遍结构一致，但其空间尺度和密度比具有独特特征。