[论文解读] Simulating disk galaxies and interactions in Milgromian dynamics

Ingo Thies, Pavel Kroupa+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本论文提出一种利用PHANTOM of RAMSES（PoR）代码在Milgromian动力学（MOND）框架下模拟稳定星系盘及相互作用系统的计算方法，借助QUMOND形式化方法建模鬼魅暗物质。该研究首次实现了基于MOND的稳定星系模拟，其外区旋转曲线平坦，与观测结果一致；并展示了相互作用系统中晚期合并过程及潮汐矮星系的形成。

ABSTRACT

Since its publication 1983, Milgromian dynamics (aka MOND) has been very successful in modeling the gravitational potential of galaxies from baryonic matter alone. However, the dynamical modeling has long been an unsolved issue. In particular, the setup of a stable galaxy for Milgromian N-body calculations has been a major challenge. Here, we show a way to set up disc galaxies in MOND for calculations in the PHANTOM OF RAMSES (PoR) code by Lüghausen (2015) and Teyssier (2002). The method is done by solving the QUMOND Poisson equations based on a baryonic and a phantom dark matter component. The resulting galaxy models are stable after a brief settling period for a large mass and size range. Simulations of single galaxies as well as colliding galaxies are shown.

研究动机与目标

• 为Milgromian动力学（MOND）中的N体模拟开发稳定的星系盘初始构型。
• 克服MOND动力学模拟的挑战，该挑战源于非线性引力需求解耦合的Poisson方程。
• 证明在MOND框架下模拟孤立及相互作用星系并实现真实动力学行为的可行性。
• 生成与观测中星系外区平坦旋转曲线一致的旋转曲线。
• 研究在星系相互作用过程中，潮汐矮星系的形成与稳定性。

提出的方法

• 采用QUMOND形式化方法，通过鬼魅暗物质密度分布表示MOND的非线性引力，使Poisson方程可在类似牛顿框架下求解。
• 首先求解牛顿Poisson方程，以计算由重子物质产生的牛顿加速度场。
• 应用QUMOND方程，通过结合重子物质与鬼魅暗物质密度，计算总引力势。
• 使用MKGALAXY脚本（经MOND适配）生成初始条件，包含指数盘分布及有限截断半径。
• 通过修补CONDINIT子程序，将MERGER补丁的气体初始条件引入PoR代码。
• 利用PHANTOM of RAMSES代码模拟星系演化，追踪粒子动力学与气体分布随时间的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用QUMOND形式化方法在MOND模拟中可靠地初始化稳定星系盘？
• RQ2 MOND模拟星系是否能在无暗物质晕的情况下重现观测到的平坦外区旋转曲线？
• RQ3 与ΛCDM模型相比，MOND中星系相互作用的并合 timescales 如何？
• RQ4 在相互作用星系的MOND模拟中，潮汐矮星系能否形成并保持稳定？
• RQ5 孤立与相互作用星系在MOND中的长期动力学演化如何，特别是螺旋结构与气体分布方面？

主要发现

• 模拟的孤立星系表现出与观测星系一致的平坦外区旋转曲线，证实该模型能够重现MOND在解释旋转曲线方面的成功。
• 螺旋结构在最初数十亿年内迅速形成，并在约30亿年后演化为弱而稳定的特征。
• 相互作用星系系统在约55亿年后并合，对应六次近星点通过，表明其并合过程显著延迟，与ΛCDM预测不同。
• 潮汐矮星系作为气体与恒星组分中的大质量稳定团块形成，可在模拟中52亿年时被观测到。
• 恒星组分在潮汐臂中表现出增强的恒星形成，新恒星在碰撞后形成，模拟快照中可见为明显团块。
• 模拟表明，高分辨率MOND模型能够重现复杂形态特征，如潮汐臂与卫星系统，支持MOND作为暗物质的可行替代方案。