Dark Matter in Galaxies

Dark Matter in Galaxies A. Bosma Observatoire de Marseille (actually LAM / OAMP) ­ History of the problem (incomplete and perhaps biased) ­ Focus on recent problems in the field          a. dark matter in spirals          b. core/cusp problem          c. dark matter in ellipticals                d. galaxy formation  &  the future

Galactic dark matter ? Oort (1932) dynamics 0.092 visible      0.038

Galactic dark matter

The strong outlyer is Bahcall, yet we were urged to believe him

Discussion in IAU 117

Zwicky 1933 : dunkle Materie

Coma = 7038 ± 1020 Colless & Dunn 1996 :    6917 ± 1038

Zwicky (1937) suggests lensing can give  simple and accurate masses Schwarschild (1954) finds low values for  M/L for M31 and other gas rich galaxies,  he also says elsewhere in the paper :

DM ''proof''' Clowe et al. (2006) ApJ 648, L109

Schwarschild (1954)

M31 – Rubin­Ford curve can be fitted with exponential disk            without need for  dark matter (blue curve)          – For the bulge, see Athanassoula & Beaton (2006)              

Disk stability argument                    

Even though the stability argument is now disputed, (cf. Athanassoula), the idea of a dark halo slowly gained acceptance 

Dark halo : proposed for spirals also                                                       Ostriker , Peebles & Yahil (1974)     

    

M33 – problem of the warp : again hardly any need for dark  matter if one takes data out to the edge of the optical image              

Flat rotation curves beyond the optical image    Bosma, 1978, 1981a,b

velocity field & rotation curve

The last point ...matters

Kalnajs 1983 Kent 1986/7 Athanassoula        et al.1987 Palunas &        Williams 2000

better use HI, since it goes farther out

Expect peak at 2.2 scalelengths, discrepancy is seen out to > 10 ­ 15 scalelengths

Fukugita & Peebles 2004

Steigman astroph/0511534 Fields/Sarkar astroph/0601514

Core/cusp problem               Springel et  al. 2005

has problems on galaxy scales  cuspy halos   lots of satellites

Open problems concerning galaxy mass distributions at z = 0  (possible conflict with Lambda­CDM) : ­ Dominance of baryonic matter in the central parts of bright spirals ­ The core/cusp problem in LSB galaxies    

Dark Matter in Galaxies  “predicted”                                                observed 

Data on LSB's De Blok, Bosma & McGaugh (& Rubin) 2001 ­ 2003 Criticisms : ­ 1D data ­ slit placement ­ non­circular       motions ­ etc...

“Clean sample” De Blok, Bosma & McGaugh 2003

Dark Matter in Galaxies Bosma 2004

NGC 5055     SDSS – 2MASS

 

LSB galaxies are  almost invisible in  the 2MASS survey, hence we use WHT and LIRIS at K­band

UGC 4325  

No cusp here, either

Milgrom & Sanders 2006        

core/cusp debate

 

Kuzio de Naray et al.  (ApJS, august 2006)

Dark Matter in Galaxies

Simon et al. (2003)

 

Simon et al. 2005

NGC 5963, a case unlike the others

 

Gentile et al. 2005 :  no cusp in DDO 47

Hayashi et al. 2004, 2006 consider a disk in triaxial halo

Newer theoretical studies Cusps confirmed : slope ­1.2 with  billion particles simulation (Diemand et al. 2005) but whole approach put into  question (Xiao et al. 2005) also research on what sets the slope theoretically

Diemand et  al. (2006)

Galaxy formation in          

Feedback helps: TF­relation zero point OK, but halos still too concentrated... resolution problem ... Governato et al. (2006)

Bar – Halo interaction Athanassoula 2002, 2003, 2005, 2006 Mechanism is the exchange of angular momentum via the resonances As a result, during the slow evolution, the mass concentration of the galaxy  increases with time, and a bar/bulge forms from the disk Voie Lactée

seen in COSMOS data  Sargent et al. (2006)

Local Group – all (badly) barred ?  

MW

M31  is  barred

Beaton et al. 2006 with 2MASS 6X;   Athanassoula & Beaton, 2006 

Dark Matter in M31

Lavalle et al. (2006)

Dark Matter in M31

Dark Matter in M31 Seigar  et al. (2006)

M31 The Rubin­Ford (1970) data do not argue for dark matter The Braun (1991) curve is not confirmed by the new work of Carignan et al.  (2007)

No cusp in our own Galaxy ? Microlensing towards LMC/SMC :   ­ no evidence for much baryonic DM Microlensing towards bulge :   ­ not much room for NFW­like profile

Tisserand et al. (2006)                 Bissantz & Gerhard (2002)                 Hamadache et al. (2006)

Are the local galaxies exceptional ?

Hammer et al. (2007)

Dwarf spheroidal galaxies          Wilkinson et al. (2006)

Dwarf spheroidal galaxies

 

Here the existence of clumps, or globular clusters, is used to argue that a cored potential is preferred, since a cusped potential will lead to rapid disruption and/or migration towards the center Kleyna et al. (2003) Goerdt et al. (2006)

Future constraints from SIM/GAIA Strigari et al. 2007 LOS velocities and proper motions in dSph galaxies

Dark Matter : jump into the unknown

  Careful observer ...          or                                Bold theorist ?

Concluding remarks     The core/cusp problem is a tough problem for CDM theory It cannot be wished away Further development of galaxy formation theory is necessary Further observations will put better constraints on it Expected dark matter signals depend on its resolution Maybe you can detect the dark matter ?? Further literature in NED – level 5 http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/dark_matter.html http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/normal_galaxies.html