[论文解读] Visible and dark matter in M 31 - II. A dynamical model and dark matter density distribution

Elmo Tempel, A. Tamm+1 more|ArXiv.org|Jul 30, 2007

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用 8

一句话总结

本研究利用光度和化学演化数据构建了M31的动力学模型，以推导暗物质（DM）密度分布。通过将预测的恒星旋转速度与速度弥散度与观测数据对比，发现NFW和Einasto暗物质轮廓最符合数据，得出M31的总质量为1.19–1.28×10¹² M☉，暗物质与可见物质质量比为10.0–10.8，支持在一颗观测充分的旋涡星系中ΛCDM理论的预测。

ABSTRACT

In the present paper we derive the density distribution of dark matter (DM) in a well-observed nearby disc galaxy, the Andromeda galaxy. From photometrical and chemical evolution models constructed in the first part of the study (Tamm, Tempel & Tenjes 2007 (arXiv:0707.4375), hereafter Paper I) we can calculate the mass distribution of visible components (the bulge, the disc, the stellar halo, the outer diffuse stellar halo). In the dynamical model we calculate stellar rotation velocities along the major axis and velocity dispersions along the major, minor and intermediate axes of the galaxy assuming triaxial velocity dispersion ellipsoid. Comparing the calculated values with the collected observational data, we find the amount of DM, which must be added to reach an agreement with the observed rotation and dispersion data. We conclude that within the uncertainties, the DM distributions by Moore, Burkert, Navarro, Frenk & White (NFW) and the Einasto fit with observations nearly at all distances. The NFW and Einasto density distributions give the best fit with observations. The total mass of M 31 with the NFW DM distribution is 1.19*10^12 M_sun, the ratio of the DM mass to the visible mass is 10.0. For the Einasto DM distribution, these values are 1.28*10^12 M_sun and 10.8. The ratio of the DM mass to the visible mass inside the Holmberg radius is 1.75 for the NFW and the Einasto distributions. For different cuspy DM distributions, the virial mass is in a range 6.9-7.9*10^11 M_sun and the virial radius is ~150 kpc. The DM mean densities inside 10 pc for cusped models are 33 and 16 M_sun pc^-3 for the NFW and the Einasto profiles, respectively. For the cored Burkert profile, this value is 0.06 M_sun pc^-3.

研究动机与目标

• 使用一致的动力学模型推导M31中的暗物质密度分布。
• 检验不同暗物质轮廓预测的观测运动学（旋转曲线和速度弥散度）之间的符合程度。
• 利用光度和光谱数据约束可见组分的质量-光度比。
• 评估ΛCDM理论预测与一颗邻近、研究充分的旋涡星系中观测结果的兼容性。
• 评估不同暗物质轮廓（NFW、Einasto、Burkert、Moore）对总质量与中心密度估计的影响。

提出的方法

• 利用U、B、V、R、I、L滤镜下的多波段表面亮度轮廓，构建M31恒星组分（核球、盘面、晕）的光度模型。
• 使用测量的金属丰度结合化学演化模型，推导各星系组分的年龄与质量-光度（M/L）比。
• 应用三轴动力学模型，计算沿主轴、副轴与中间轴的预测恒星旋转速度与速度弥散度。
• 将模型预测与来自恒星和行星状星云的观测旋转曲线及速度弥散度轮廓进行比较。
• 通过调整暗物质分布以最小化模型与观测之间的残差，测试NFW、Einasto、Burkert与Moore轮廓。
• 利用球状星团、卫星星系及银河系-M31系统动力学的约束，验证大尺度质量估计的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在M31的所有半径范围内，哪种暗物质密度轮廓——NFW、Einasto、Burkert或Moore——最能再现观测到的运动学特征？
• RQ2 当同时约束于旋转曲线与速度弥散度时，M31的总质量是多少？其中暗物质占多大比例？
• RQ3 M31中的中心暗物质密度与其它星系相比如何？是否与ΛCDM理论预测一致？
• RQ4 由化学演化模型推导出的可见组分质量-光度比，在多大程度上影响了推断的暗物质分布？
• RQ5 M31的观测质量分布是否与M33和IC 10的自行运动所给出的下限一致？

主要发现

• NFW与Einasto暗物质轮廓在M31的几乎所有半径范围内，对观测到的旋转与弥散度数据提供了最佳拟合。
• 采用NFW暗物质轮廓时，M31的总质量为1.19×10¹² M☉，暗物质与可见物质质量比为10.0。
• 采用Einasto轮廓时，总质量为1.28×10¹² M☉，暗物质与可见物质质量比为10.8。
• 在霍尔姆伯格半径（约25 kpc）以内，NFW与Einasto轮廓的暗物质与可见物质质量比均为1.75。
• 在10 pc内的中心暗物质密度，NFW轮廓为33 M☉ pc⁻³，Einasto轮廓为16 M☉ pc⁻³，而具有核心的Burkert轮廓仅给出0.057 M☉ pc⁻³。
• 结果与来自卫星星系和自行运动数据的7.5×10¹¹ M☉下限一致，支持旋涡星系结构的ΛCDM范式。