[论文解读] The dark halo of the Hydra I galaxy cluster: core, cusp, cosmological? Dynamics of NGC 3311 and its globular cluster system

T. Richtler, R. Salinas+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用 35

一句话总结

本研究利用118个球状星团的径向速度和VLT光谱的恒星运动学，研究了 Hydra I 星系团中心 cD 星系 NGC 3311 的暗物质晕分布。结果表明，与 NFW 型（尖锐核心）模型相比，具有核心的暗物质晕（Burkert 模型）能更好地拟合恒星和球状星团的观测速度 dispersion。这表明尽管无法完全排除尖锐核心，核心结构仍更受青睐。

ABSTRACT

NGC 3311 is the central cD galaxy of the Hydra I cluster. We use globular clusters around NGC 3311, combined with kinematical data of the galaxy itself, to investigate the dark matter distribution in the central region of Hydra I. Radial velocities of 118 bright globular clusters, based on VLT/VIMOS mask spectroscopy, are used to calculate velocity dispersions which are well defined out to 100 kpc. NGC 3311 is the most distant galaxy for which this kind of study has been performed. We also determine velocity dispersions of the stellar component from long slit spectroscopy out to 20 kpc. Moreover, we present a new photometric model for NGC 3311 in the V-band. We search for a dark halo which in the context of a spherical Jeans model. We also compare the radial velocity distributions of globular clusters and planetary nebulae. The projected stellar velocity dispersion rises from 185 km/s to 350 km/s at a radius of 20 kpc. The globular cluster dispersion rises as well from 500 km/s at 10 kpc to about 800 km/s at 100 kpc, comparable to the velocity dispersion of the cluster galaxies. A dark matter halo with a core reproduces well the velocity dispersions of stars and globular clusters simultaneously under isotropy. The central stellar velocity dispersions predicted by cosmological NFW halos are less good representations, while the globular clusters allow a wide range of halo parameters. A suspected radial anisotropy of the stellar population aggravates the deviations. However, we find discrepancies with previous kinematical data, which we cannot resolve and may indicate a more complicated velocity pattern. Although one cannot conclusively demonstrate that the dark matter halo of NGC 3311 has a core rather than a cusp, a core seems to be preferred by the present data. A more complete velocity field and an analysis of the anisotropy is required to reach firm conclusions.

研究动机与目标

• 确定 Hydra I 星系团中心区域的暗物质晕分布，重点关注低面亮度的 cD 星系 NGC 3311。
• 检验 NGC 3311 中恒星和球状星团的观测运动学是否更符合具有核心的暗物质晕或尖锐核心的暗物质晕。
• 评估速度各向异性对晕建模的影响，并检验极端径向速度异常值与晕质量模型的一致性。
• 评估数据与宇宙学 NFW 晕的一致性，特别是与模拟得到的集中度-质量关系的关系。
• 通过多 tracer 方法，为大质量星系团中暗物质内部分布提供动力学约束。

提出的方法

• 利用 VLT/VIMOS 掩模光谱测量 118 个明亮球状星团的径向速度，以推导其在 100 kpc 范围内的速度 dispersion 分布。
• 利用 VLT/FORS1 的长缝光谱测量 NGC 3311 的恒星速度 dispersion，范围达 20 kpc。
• 使用深的 VLT/FORS1 V 波段图像构建 NGC 3311 的新光度模型，以定义恒星光分布。
• 应用球对称 Jeans 模型，同时拟合恒星和球状星团的速度 dispersion 分布，假设处于动力学平衡和球对称状态。
• 通过在建模框架中测试径向和切向各向异性分布，探讨速度各向异性的影响。
• 利用轨道积分评估极端径向速度异常值（如 ~2700 km/s）作为在高度径向轨道上运行的星系际天体的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 3311 中恒星和球状星团的运动学数据是否更支持具有核心的暗物质晕或尖锐核心的暗物质晕？
• RQ2 速度各向异性如何影响晕模型与观测速度 dispersion 之间的一致性？
• RQ3 球状星团系统中极端径向速度异常值是否与真实暗物质晕中的轨道一致？
• RQ4 宇宙学 NFW 晷，特别是基于模拟的集中度-质量关系，能在多大程度上重现观测到的运动学特征？
• RQ5 在各向同性假设下，是否能用尖锐核心晕解释小半径处观测到的恒星速度 dispersion 上升？还是必须引入核心结构？

主要发现

• 恒星速度 dispersion 从中心的 ~185 km/s 上升至 20 kpc 处的 350 km/s，表明存在显著的质量集中。
• 球状星团速度 dispersion 从 10 kpc 处的 ~500 km/s 上升至 100 kpc 处的 ~800 km/s，与星系团的速度 dispersion 一致。
• 在各向同性假设下，Burkert（具有核心）晕模型能很好地拟合恒星和球状星团的速度 dispersion 分布。
• 即使考虑集中度-质量关系，尖锐核心的 NFW 晷也无法重现小半径处恒星速度 dispersion 的平滑上升。
• 径向各向异性使 NFW 模型与观测的偏差加剧，而切向各向异性虽可改善拟合效果，但缺乏观测支持。
• 极端径向速度异常值（如 ~2700 km/s）与大质量晕中高度径向轨道一致，尽管其起源可能涉及星系际群体。