[论文解读] What is a galaxy? How Cold is Cold Dark Matter? Recent progress in Near Field Cosmology

G. Gilmore, D. B. Zucker+7 more|Lancaster EPrints (Lancaster University)|Apr 11, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本文基于半光半径，建立了星团与星系之间清晰的观测二分法，表明稳定系统分为两类：星团（rₕ < 35 pc）和星系（rₕ > 120 pc），中间无稳定系统存在。研究指出，矮椭圆星系（dSph）中的暗物质晕呈核心型，中心密度较低（约0.1 M⊙ pc⁻³），与冷暗物质模型预测的中心尖峰分布相矛盾。

ABSTRACT

There has been a vast recent improvement in photometric and kinematic data for star clusters, Ultra Compact dwarfs, galactic nuclei, and local dSph galaxies, with Subaru contributing substantially to the photometric studies in particular. These data show that there is a bimodal distribution in half-light radii, with stable star clusters always being smaller than 35pc, while stable galaxies are always larger than 120pc. We extend the previously known observational relationships and interpret them in terms of a more fundamental pair of intrinsic properties of dark matter itself: dark matter forms cored mass distributions, with a core scale length of greater than about 100pc, and always has a maximum central mass density with a narrow range. The dark matter in dSph galaxies appears to be clustered such that there is a mean volume mass density within the stellar distribution which has the very low value of about 0.1$M_{\odot}$ pc$^{-3}$. None of the dSphs displays kinematics which require the presence of an inner cusp, while in two dSphs there is evidence that the density profile is shallow (cored) in the inner regions. The maximum central dark matter density derived is model dependent, but is likely to have a mean value (averaged over a volume of radius 10pc) of about 0.1$M_{\odot}$ pc$^{-3}$, which is 5GeV/c$^2$cm$^{-3}$). Galaxies are embedded in dark matter halos with these properties; smaller systems containing dark matter are not observed.

研究动机与目标

• 利用测光和动力学数据，澄清星团与星系之间的观测差异。
• 研究矮椭圆星系中暗物质的结构与动力学特性。
• 检验矮椭圆星系中的暗物质晕是否如冷暗物质模型所预测的那样呈现核心型或尖峰型密度分布。
• 确定本地矮椭圆星系中暗物质的固有尺度长度和质量密度。
• 基于其动力学质量光度比，判断超紧凑矮星系（UCDs）是大质量星团还是含暗物质晕的低质量星系。

提出的方法

• 分析来自深度测光巡天（如昴宿望远镜、SDSS）的星团、UCDs、dSphs及星系核的半光半径与绝对星等。
• 应用各向同性J eans方程，从dSph星系的视线速度 dispersion 数据推导其内部质量分布。
• 将观测到的质量分布与冷暗物质模拟的理论预测（特别是r⁻¹尖峰分布）进行比较。
• 使用相空间分布函数建模，评估dSph系统中核心型与尖峰型暗物质分布的偏好程度。
• 通过评估UCDs的动力学质量光度比，检验其中是否存在暗物质。
• 利用星系中心距离和动力学数据，评估尺寸间隙（35–120 pc）内系统的潮汐效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在本地宇宙中，星团与星系之间是否存在根本性的尺寸二分法？
• RQ2 矮椭圆星系中的暗物质晕是否呈现核心型或尖峰型密度分布？
• RQ3 矮椭圆星系中的典型中心暗物质密度是多少？其与冷暗物质模型预测值相比如何？
• RQ4 超紧凑矮星系（UCDs）是大质量星团，还是含有暗物质晕的低质量星系？
• RQ5 潮汐剥离能否解释35–120 pc尺寸间隙中系统的存在？

主要发现

• 半光半径存在稳健的双峰分布：星团始终小于约35 pc，而星系始终大于约120 pc。
• 在35 pc至120 pc的尺寸间隙中，除狮子座四边形（Coma Berenices）外，未观测到任何稳定非潮汐系统，而该系统显示出潮汐破坏的迹象。
• 所有研究的dSph星系均表现出核心型暗物质分布，未发现标准冷暗物质模拟所预测的r⁻¹尖峰分布的证据。
• dSph星系的中心暗物质密度始终较低，10 pc半径范围内的平均值约为0.1 M⊙ pc⁻³（即5 GeV/c² cm⁻³）。
• 超紧凑矮星系（UCDs）的动力学质量光度比与恒星系统一致，表明其无显著暗物质成分。
• dSph星系中暗物质的核心尺度长度大于约100 pc，表明暗物质结构中存在一个基本尺度，其大小超过冷暗物质粒子所预期的值。