利用星流探索暗物质晕的质量与形态

( 本文是一篇探讨未来暗物质晕结构研究方法的文章,如果结合上未来各种大天区的测光巡天,确实是一个很热门的话题,特此斗胆介绍给大家,希望大家多挑错和补充 )

标题:Stellar Streams as Probes of Dark Halo Mass and Morphology: A Bayesian Reconstruction
作者:Anjali Varghese, Rodrigo A. Ibata, Geraint F. Lewis
论文索引:astro-ph:1106.1765
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

暗物质晕的结构能告诉我们什么

虽然对暗物质的“直接探索”一再的让天文学家们失望,聪明异常的理论物理学家们不断的用新的理论挑战暗物质模型,但不管怎样,暗物质模型在一定程度上还是非常的“流行”的,而且其“靠谱”程度还有很多的“间接证据”;近些年来,尤其是在SDSS巡天发现了大量的银河系周围的矮星系和恒星晕中的星流之后,研究暗物质晕结构的话题又变得有了希望起来,且不论这些星流的起源如何 (最主要的可能还是被瓦解的矮星系和从各种恒星结构中被潮汐里剥离下来的恒星),由于他们有相同的动力学轨道,其动力学演化显然受到银河系晕引力势和各种结构的影响,因此,这些暗弱的恒星结构也成为了进一步检验暗物质晕理论和研究暗物质晕结构,形态,质量的“直接手段”。(当然,我相信MOND的支持者们也期望着这些观测能否定暗物质晕转而成为他们的证据,所以,热点是肯定的了)

旋涡星系的晕的质量,形状和延展程度不仅可以帮助我们了解暗物质粒子组成的物理信息,还可以帮助我们进一步的理解星系演化中的一些步骤;比如,根据冷暗物质模型进行的拟合得到的暗物质晕往往是扁圆型 (oblate: Dubinski 1994; Debattista et al. 2008 ) 或者三轴椭球形状的 (triaxial: Frenk et al. 1988; Dubinski & Carlberg 1991; Bett et al. 2007 ); 而热暗物质模型下,暗物质晕往往更加接近球型 (spherical: Mayer et al. 2002; Bullock 2002); 如果不考虑暗物质,重子物质单独组成的晕则看上去更接近盘状 (Pfenniger et al. 1994); 由此可见,获得暗物质晕结构的信息是多么的可贵了,以往有人提出了一些想法来进行具体的测量,比如测量太阳系附近的暗物质密度,因为这个量对暗物质晕的扁平程度比较敏感;或者就是利用引力透镜的方法;但这些方法都有各自的局限性。实际上,暗物质晕引力势里面的天体轨道本身就是一个简洁,但又强力的结构指示器,其实在拥有polar-ring的早型星系中已经得到了应用 (Sackett et al. 1994; Iodice et al. 2003; Combes 2006) 还有在主并合中 (major merger) 用潮汐尾 (tidal tail) 只是parent halo信息也属于类似的应用。 本文使用的方法其实很接近,只不过换了一个轨道指示器:星流。星流 (stellar stream) 指的是那些落入大质量漩涡星系晕引力势中,逐渐受到潮汐力 (或许还有下落产生的激波的影响) 瓦解的矮星系 (比如著名的人马座星流) 或者球状星团 (比如著名的Palomar 5球状星团的“尾巴”)。这些被瓦解的恒星在保留着前身系统的运动学信息的同时,也非常容易受到晕中结构的影响,同时它们离盘和核球的距离又比较远,可以更好的在不受我们对盘和核球引力势了解的前提下帮助我们了解晕结构。

如何观测和研究星流?

星流在银河系和河外星系中都有了直接的观测证据,比如银河系中的:Sagittarius (Ibata et al. 2001b; Majewski et al. 2003);the Orphan (Belokurov et al. 2007; Grillmair 2006) 以及 Monoceros (Newberg et al. 2002; Conn et al. 2005, 2007, 2008)潮汐星流 (均是以所在星座命名)。还有河外星系,如 M31, NGC5907, NGC891 等旋涡星系周围都有星流被发现 (参考Martinez-Delgadoetal. 2010)。图1就展示了天龙座中的NGC5907附近壮观的星流,值得一提的是,这个工作是业余爱好者完成的!在银河系中,星流主要通过大天区巡天,寻找恒星密度分布的局部起伏;在河外星系中,则主要是通过长时间曝光叠加发现的。


fig1

Fig.1: NGC5907 附近壮观的星流结构

虽然有这样的优点,星流的研究还是有很多的问题的;比如最著名,也是最早被研究的人马座星流在银河系周围形成了一个壮观的大圆型结构 (可能有些类似上图中的NGC5907),这意味着星流结构在完成一个轨道周期之后仍然不会显著弥散或者瓦解,从而引申出两个可能,1. 银河系的晕更接近sperical;或者,2. 年轻的动力学潮汐结构不能很好的指示暗物质晕的结构。虽然近期又有工作显示,稍稍扁平的三轴的暗物质晕才是更好的模型,不过这个例子还是告诉我们研究星流这样的大尺度,低恒星密度,低面亮度结构还有很多的困难和问题。其中最主要的两个是:第一,不能把星流看成是星系引力势下的一个简单的轨道;第二个就是,我们关于星流的最主要信息只有在天空中的投影分布,只有在银河系和非常邻近的星系中才可能粗略的估计距离和运动学信息。

本文工作

基本方法

公欲善其事,必先利其器,找到最佳的在有限信息的条件下研究星流的方法才是最主要的;以往常用的方法是利用数值模拟,但是模拟最大的问题是无论怎样厉害的计算,终究只能覆盖庞大无比的参数空间中的一小部分,因此任何的结果都会被打上“唯一性”的问号;更好的方法,是利用统计的方法,所谓的贝叶斯统计,结合MCMC (Markov-Chain Monte-Carlo) 的方法,探索参数空间,得到可靠的概率密度分布,从而推断出最可能的轨道构型和暗物质晕的结构。


fig2

Fig.2: 由积分方法根据一定的参数产生的星流轨道在X-Z平面(星系侧向)上的投影,上,中,下三排分别对应于球型,扁圆型,扁长型的引力势下的轨道。


fig2

Fig.3: 本文展示了通过投影轨道复原输入的晕扁平程度参数的结果,基于本文的MCMC统计方法,在简单的晕引力势下,可以非常好的复原出晕的q值。

本文构造了相对简单的模型,星系盘位于XY平面上,与核球和晕有相同的中心,且核球和晕的 mid-plane也与XY平面重合;晕为静态而且引力势轴对称,假定 b/a = 1, 用q=c/a描述晕的扁平程度。本文检验的情况属于在星系侧向视角下,小质量矮星系形成的典型由一条leading tail和一条trailing tail组成的星流,而且忽略了各种可能的分叉等自结构,并忽略了星流的自引力效应。假定一定的晕引力势参数和轨道参数,这些参数代表了多维参数空间中的一个点。对于每一组参数,通过积分产生一条轨道,并选取一组点来代表星流,将这个实验星流与观测相比较 (本文是技术性文章,因而使用了模拟产生的星流),计算模型和对应数据之间的似然程度。本文考虑了两种引力势,第一种是最简单的晕引力势:

\Phi_{Halo} = \frac{1}{2} {V_0}^2 \ln({R_c}^2+R^2+\frac{z^2}{{q_{\phi}}^2})

其中,q_{\phi} = c/aV_0 为圆周运动速度;R_c为晕的Core半径 (Binney & Tremaine 2008);第二种情况则是更加真实一些的多成分引力势,用以模拟有盘和核球结构的真实星系。关于具体的检验和比较过程,请参考原文。


fig2

Fig.4: 简单的椭球引力势下,可以看到,无论暗物质晕形状如何,晕扁平程度的分布可以比较好的复原出输入值;而且我们可以注意到,不同形状的暗物质晕对星流结构的影响也是不一样的。

主要结论

本文最主要的结论就是基于一定的假设,比如晕引力势的模型和轴对称要求,即便所有的观测信息仅有星流的投影位置,也可以通过统计方法通过探索参数空间的方式,比较有效的还原出一些关键的晕参数,比如扁平程度等等,从而得到晕形状的信息。而本文方法的限制除了前面的提到的各种假设和忽略的细节的重要程度之外,通过结果,作者还发现,这个方法的准确性与星流中的拐折点的数目 (turning point) 有很大的关系,只有在星流存在两个以上的拐折点的时侯才有效,而且拐折点越多,准确性也就越高; 在只有一个转折点,或者干脆就是一段简单的抛物线轨道的话,这个方法会比较靠不住,不过如果有其他的观测信息,比如星流的视线方向速度,或者我们到星流的距离之类的话,还是可以把晕的扁平程度限制的比较好的。

总之,结合新近的观测数据,本文提供的方法还是很值得一试的。不过暗物质晕形状等的研究还有很多的不确定性,我们这里出于介绍的目的,展示了本文复原的最好的结果,还有很多参数的复原不甚让人满意。不管怎样,这个话题还会在后面很长一段时间内“热门”下去,让我们大家一起拭目以待吧。

  • 1. GaBany个人网站上关于NGC5907的工作信息;其个人网站上还有大量被用于科学研究的“业余”望远镜拍摄的图片,非常推荐
  • 2. Wikipedia上提供的著名星流列表
  • 3. Tanaka关于M31星流工作的海报(PDF格式)
  • 4. Yoon, Johnston & Hogg 利用Clumpy Stream探测Halo结构及Missing Satellite的文章
  • 5. Lewis & Ibata 关于潮汐尾与暗物质形状的简短介绍文章 (推荐)
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    9 Replies to “利用星流探索暗物质晕的质量与形态”

    1. 快乐中微子

      Firefox 4.0.1 Windows 7

      星系是否完全trace 暗物质? 有数值模拟显示,星系只是trace galaxy cluster 暗物质晕,而不trace 暗物质的sub halo。星系开始演化后重子物质的重力貌似不占主要地位。 著名的子弹星系也表明暗物质和重子物质可以完全分离。

      • Song Huang

        Chrome 12.0.742.100 MacIntosh

        显然不完全trace,会有各种bias;但是对于银河系这样的可以认为很长时间没有发生过强烈并合活动的盘星系,本文里的假设还不算特别离谱吧

    2. Y.G.

      Chromium 12.0.742.91 Linux

      图1就展示了天龙座中的NGC5907附近壮观的星流,值得一提的是,这个工作是业余爱好者完成的—————–多牛逼的业余望远镜才能看见?

    3. shiaki

      Chrome 12.0.742.91 Windows 7

      这篇文章基本上是一口气读完的…本来还打算写点,因为考试的缘故没有写.

      前面对于对数势参数的确定确实挺漂亮,不过觉得这篇文章的精华之处还是在于后面.比如在轨道的最近/远点分出两支星流的情况的处理.当然,这个叫parallel tempering的最优化方法似乎也是非常有前途的.不过不清楚这种方法和经典的SA,QA等最优化相比有什么优势,似乎作者也没怎么说.而所谓贝叶斯,也仅仅是在相似度函数那儿用到了

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