[论文解读] The nature of disk of satellites around Milky Way-like galaxies

Moupiya Maji, Qirong Zhu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 6

一句话总结

本研究利用高分辨率的银河系大小星系的流体动力学模拟与仅含暗物质的模拟，探究卫星盘（DoS）的起源。结果表明，DoS并非一个相干的旋转结构，而是由于样本量较小导致的选择效应，且与仅含暗物质的模型相比，重子物理显著改变了卫星的分布与运动学特性。

ABSTRACT

It has been suggested that the satellite galaxies of the Milky Way reside in a highly-flattened, kinematically-coherent plane called Disk of Satellites (DoS). The origin of the DoS, however, has been hotly debated, and a number of conflicting claims have been reported in the literature on whether or not the DoS is consistent with predictions from the standard Lambda Cold Dark Matter ($Λ$CDM) cosmological model. Here we investigate this issue by comparing a high-resolution, hydrodynamic $Λ$CDM simulation of a Milky Way sized galaxy with its dark matter only counterpart. We find the following results: (1) The abundance and distribution of satellite galaxies around a host galaxy is significantly different in the hydro simulation compared to its N-body counterpart; (2) No clear coherent rotation is found in the satellite system, as the fractions of corotating and counter-corotating satellites remain comparable across cosmic time; (3) The satellite distribution evolves significantly with time, from nearly isotropic at high redshift to anisotropic at the present day; (4) The DoS properties strongly depend on sample selection and plane identification methods. Our results imply that the spatially-thin and coherently-rotating DoS reported in Milky Way and other galaxies may be a selection effect of small sample size.

研究动机与目标

• 确定银河系中观测到的卫星盘（DoS）是否为真实的物理结构，还是统计上的伪影。
• 研究重子物理在塑造卫星分布与运动学方面的作用，与仅含暗物质的模拟进行对比。
• 评估样本大小与平面拟合方法对卫星盘感知各向异性和相干性的影响。
• 评估DoS是否与标准ΛCDM宇宙学模型的预测一致。
• 理解从高红移到现今的卫星各向异性演化过程。

提出的方法

• 对一个银河系大小的星系执行高分辨率、宇宙学尺度的流体动力学模拟，并与其中的仅含暗物质（N体）版本进行对比。
• 在z=0时测量两种模拟中卫星星系的空间分布与运动学相干性。
• 应用多种平面拟合方法（如最小二乘法、按距离加权）以识别DoS并评估其特性。
• 通过100,000次实现的蒙特卡洛模拟，测试样本大小与输入各向异性如何影响卫星系统输出的c/a比值（扁平度）。
• 计算宇宙时空中卫星的共转与反向旋转比例，以评估运动学相干性。
• 将卫星分布按1和1/r²加权，以检验c/a比值对距离依赖偏差的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中观测到的卫星盘是否为一个真实的运动学相干结构，还是小样本量导致的伪影？
• RQ2 恒星形成、再电离与潮汐剥离等重子过程如何影响卫星星系的空间与运动学分布，相较于仅含暗物质的模拟？
• RQ3 DoS的特性在多大程度上依赖于样本选择与平面识别方法？
• RQ4 卫星系统是否随时间从各向同性演化为各向异性分布？这一演化是否由分层结构形成驱动？
• RQ5 当充分考虑三维角动量时，能否在ΛCDM模拟中重现观测到的DoS？还是其为仅使用视线速度导致的伪影？

主要发现

• 流体动力学模拟在1 Mpc范围内仅产生106个恒星形成的矮星系，而仅含暗物质的模拟中则有21,220个子晕，表明重子物理对子晕丰度有强烈抑制作用。
• 流体动力学模拟中的卫星系统表现出显著的各向异性分布，而N体模拟中的分布则为各向同性。
• 未发现相干旋转：共转与反向旋转卫星的比例在整个宇宙时空中均保持相近（约19%）。
• 卫星分布从高红移时的各向同性演化为z=0时的日益各向异性，与分层结构形成中的丝状并合一致。
• 观测到的DoS特性（如扁平度与相干性）对样本大小与平面拟合方法极为敏感，小样本会人为增强各向异性。
• 蒙特卡洛模拟显示，当仅有11个卫星时，输入c/a = 0.4的系统在约20%的情况下会产生输出c/a ≤ 0.18，表明观测到的各向异性可能是小样本导致的统计伪影。