[论文解读] The Galactic potential and dark matter density from angular stellar accelerations

Malte Buschmann, Benjamin R. Safdi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 59被引用 16

一句话总结

本文提出利用盖亚等天体测量巡天中的恒星角加速度，直接测量银河系的引力势和本地暗物质密度。通过分析恒星角加速度的联合似然，该方法在约3σ显著性水平下检测到盘状势能，在结合太阳加速度测量时，以约2σ显著性水平检测到本地暗物质密度，为银河系动力学提供了一种模型无关的探测手段。

ABSTRACT

We present an approach to measure the Milky Way (MW) potential using the angular accelerations of stars in aggregate as measured by astrometric surveys like Gaia. Accelerations directly probe the gradient of the MW potential, as opposed to indirect methods using e.g. stellar velocities. We show that end-of-mission Gaia stellar acceleration data may be used to measure the potential of the MW disk at approximately 3$\sigma$ significance and, if recent measurements of the solar acceleration are included, the local dark matter density at ~2$\sigma$ significance. Since the significance of detection scales steeply as $t^{5/2}$ for observing time $t$, future surveys that include angular accelerations in the astrometric solutions may be combined with Gaia to precisely measure the local dark matter density and shape of the density profile.

研究动机与目标

• 开发一种直接、模型无关的方法，利用角加速度测量银河系的引力势。
• 在对恒星运动学或平衡状态的假设最少的前提下，约束本地暗物质密度。
• 减少对旋转曲线或Jeans方程等间接方法的依赖，这些方法依赖于对对称性和平衡性的强假设。
• 使未来巡天能够利用加速度数据精确测量暗物质晕、盘和核球成分。
• 通过信号打乱等数据驱动方法，为系统不确定性测试提供一种方法，增强结果的稳健性。

提出的方法

• 将角加速度（γα, γδ）作为天体测量解中的额外参数，超出标准的五个参数（赤经、赤纬、自行、视差）。
• 对约 N ≈ 10^9 颗恒星进行联合似然分析，尽管单颗恒星的信号过弱，仍能检测到集体加速度信号。
• 检测显著性随观测时间 t 的 5/2 次方增长，使未来高精度测量成为可能。
• 通过建模 a⊙ = −∇Φ(r⊙) 来校正太阳在银道坐标系中的加速度，其中太阳位置 r⊙ = 8.224 ± 0.071 kpc。
• 通过在恒星间对模型预测进行打乱，进行统计验证，以检验系统性偏差并验证零假设。
• 结合盖亚DR2与依巴谷（Hipparcos）数据以证明可行性，结果与统计不确定性一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用盖亚等天体测量巡天中的恒星角加速度，直接测量银河系的引力势？
• RQ2 该方法在多大程度上能独立于速度基或平衡假设，约束本地暗物质密度？
• RQ3 盘状势能与暗物质密度的检测显著性如何随观测时间变化？
• RQ4 哪些系统性效应可能偏差基于加速度的推断？如何通过数据驱动方法进行测试？
• RQ5 未来巡天能否结合盖亚数据与自身加速度测量，实现对银河系质量组分的高精度约束？

主要发现

• 任务末期的盖亚数据预计可利用恒星角加速度在约3σ显著性水平下检测到盘状势能。
• 当与盖亚EDR3中通过类星体自行测量得到的太阳加速度结合时，本地暗物质密度可被约束在约2σ显著性水平。
• 盘状与暗物质组分的检测显著性均随观测时间 t 呈 t^5/2 的增长，使未来巡天能够实现高精度测量。
• 对模型预测在恒星间进行打乱的测试表明，系统性效应远小于统计不确定性，验证了该方法的稳健性。
• 该方法对选择函数和完备性不敏感，因其依赖于直接的加速度测量，而非速度矩。
• 盖亚径向速度光谱仪测得的径向加速度预计约束力弱于角加速度，尽管未来灵敏度提升后可能有所改善。