[论文解读] The MUSE-Faint survey: I. Spectroscopic evidence for a star cluster in Eridanus 2 and constraints on MACHOs as a constituent of dark matter

Sebastiaan L. Zoutendijk, J. Brinchmann+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 77被引用 9

一句话总结

本研究利用MUSE-Faint巡天数据，为天龙座2号超晕矮星系中心的恒星集团提供了光谱学证据，确认其为具有低速度 dispersion 的独立动力学群体。研究推导出对大质量天体致密晕物（MACHOs）作为暗物质的全新约束，若暗物质完全由MACHOs组成，则在68%置信水平下排除MACHO质量高于7.6 M⊙，在95%置信水平下排除高于44 M⊙的质量。

ABSTRACT

We aim to provide spectroscopic evidence regarding the nature of the putative star cluster in Eridanus 2 and to place constraints on the mass and abundance of massive astrophysical compact halo objects (MACHOs) as a constituent of dark matter. Methods. We present spectroscopic observations of the central square arcminute of Eridanus 2 from MUSE-Faint, a survey of ultra-faint dwarf galaxies with the Multi Unit Spectroscopic Explorer on the Very Large Telescope. We derive line-of-sight velocities for possible member stars of the putative cluster and for stars in the centre of Eridanus 2. We discuss the existence of the cluster and determine new constraints for MACHOs using the Fokker-Planck diffusion approximation. Results. Out of 182 extracted spectra, we identify 26 member stars of Eridanus 2, seven of which are possible cluster members. We find intrinsic mean line-of-sight velocities of $79.7^{+3.1}_{-3.8}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ and $76.0^{+3.2}_{-3.7}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ for the cluster and the bulk of Eridanus 2, respectively, and intrinsic velocity dispersions of ${<}7.6\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ (68-$\%$ upper limit) and $10.3^{+3.9}_{-3.2}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$, respectively. This indicates the cluster most likely exists as a distinct dynamical population hosted by Eridanus 2, without surplus of dark matter over the background distribution. Among the member stars in the bulk of Eridanus 2, we find possible carbon stars, alluding to the existence of an intermediate-age population. We derive constraints on the fraction of dark matter that can consist of MACHOs with a given mass between $1$-$10^5\,M_\mathrm{sun}$. For dark matter consisting purely of MACHOs, the mass of the MACHOs must be less than ${\sim}7.6\,M_\mathrm{sun}$ and ${\sim}44\,M_\mathrm{sun}$ at a $68$- and $95$-$\%$ confidence level, respectively. (Abridged)

研究动机与目标

• 为天龙座2号超晕矮星系中心疑似恒星集团提供光谱学确认。
• 测定该集团及天龙座2号主体的运动学性质（平均速度和速度 dispersion），以评估其动力学独立性。
• 利用该集团的存续状态，约束大质量天体致密晕物（MACHOs）作为暗物质组分的丰度与质量。
• 检验MACHO约束对初始质量函数、金属丰度及动力学质量估算方法不确定性下的鲁棒性。
• 评估Fokker–Planck扩散近似在推导MACHO限制时的局限性，特别是针对高MACHO质量的情况。

提出的方法

• 利用甚大望远镜上的多复用光谱仪（MUSE）获取天龙座2号中心一平方弧分区域的光谱观测数据。
• 提取182条光谱，并识别出26颗天龙座2号的成员星，其中包括7颗候选集团成员星。
• 通过稳健的统计建模测量视线速度及内在速度 dispersion，同时考虑测量不确定性与内在 dispersion。
• 应用Fokker–Planck扩散近似，模拟MACHO引起的集团恒星加热过程，将集团存续性与MACHO质量及丰度关联。
• 使用emcee采样器进行贝叶斯推断，推导MACHO质量限制的置信区间，纳入速度 dispersion 和集团质量的不确定性。
• 评估结果对初始质量函数、金属丰度及动力学质量估算方法变化的敏感性，以检验其鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于光谱运动学，天龙座2号中心是否存在一个恒星集团？
• RQ2 该疑似集团及天龙座2号主体的内在视线速度与速度 dispersion 是多少？
• RQ3 该集团的存续状态如何约束MACHOs作为暗物质组分的质量与丰度？
• RQ4 MACHO约束对初始质量函数、金属丰度等天体物理假设的变化是否具有鲁棒性？
• RQ5 Fokker–Planck扩散近似在推导MACHO约束时存在哪些局限性，特别是在高MACHO质量情况下？

主要发现

• 光谱观测证实天龙座2号中存在一个具有内在平均视线速度79.7+3.1−3.8 km s⁻¹、速度 dispersion 小于7.6 km s⁻¹（68%上限）的独立恒星群体，表明其为动力学冷、束缚的集团。
• 天龙座2号主体的平均速度为76.0+3.2−3.7 km s⁻¹，速度 dispersion 为10.3+3.9−3.2 km s⁻¹，与更延展、更热的系统一致。
• 该集团与背景分布相比并未显著超重，支持其作为独立的、暗物质含量较低的高密度恒星群体存在。
• 天龙座2号成员星中存在碳星的证据，表明除主导的古老恒星群体外，还存在一个中等年龄的恒星群体。
• 若暗物质完全由MACHOs组成，则在68%置信水平下，质量高于100.88 M⊙ ≈ 7.6 M⊙的MACHOs被排除，而在95%置信水平下，质量高于101.64 M⊙ ≈ 44 M⊙的MACHOs被排除。
• 约束结果对初始质量函数、金属丰度及动力学质量估算方法的变化具有鲁棒性，但Fokker–Planck近似在MACHO质量 ≳10⁴ M⊙时可能失效。