Project

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Probing the structure of neighbouring galaxy groups with newly discovered dwarf galaxies

English title Probing the structure of neighbouring galaxy groups with newly discovered dwarf galaxies
Applicant Binggeli Bruno
Number 168991
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Astronomy, Astrophysics and Space Sciences
Start/End 01.10.2016 - 31.08.2018
Approved amount 113'338.00
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Keywords (4)

Dwarf Galaxies; Dark Matter; Cosmology; Galaxies

Lay Summary (German)

Lead
Zwerggalaxien sind Schlüsselobjekte zur Untersuchung der nach wie vor rätselhaften Dunklen Materie (DM). In diesem Projekt haben wir die Suche nach neuen, schwachen Zwerggalaxien in benachbarten Galaxiengruppen fortgesetzt und mit der aufwendigen Distanzbestimmung begonnen. Das Ziel ist die Kenntnis der räumlichen Struktur dieser Gruppen im Hinblick auf bestimmte scheibenartige Strukturen, die für das Standardmodell der Strukturentstehung mit DM ein Problem darstellen. Solche Strukturen kannte man bisher bloss von Zwergsatelliten der Milchstrasse and der Andromedagalaxie. Nun wurde durch unsere Arbeit in der südlichen Centaurus-Gruppe eine weitere gefunden und die Universalität des Phänomens aufgezeigt. Damit wird das Standardmodell mit DM ernsthaft in Frage gestellt.
Lay summary

Zwerggalaxien sind sehr leuchtschwache Sternsysteme, die anscheindend bis zu 90% von Dunkler Materie dominiert werden. Sie sind deswegen wichtige Laboratorien zur Erforschung der DM, deren Natur immer noch völlig rätselhaft ist. Kürzliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zwergsatelliten um die Milchstrasse und die Andromedagalaxie herum stark anisotrop verteilt sind, was dem Standardszenarium der Strukturbildung mit „kalter“ Dunkler Materie konträr zuwider läuft. Findet man dasselbe Bild auch in anderen Galaxiengruppen, oder ist das bloss eine lokale "Laune der Natur"? Zur Beantwortung dieser entscheidenden Frage haben wir im Vorgängerprojekt in den nahen südlichen Centaurus- und Sculptor-Galaxiengruppen nach bisher unbekannten, schwächeren Zwerggalaxien zu suchen begonnen, die dann für solche Studien benutzt werden können. In der Centaurus-Gruppe wurden auf tiefen Aufnahmen mit der 'Dark Energy Survey’ Kamera (DECam) in Chile fast 60 neue Zwerggalaxie-Kandidaten entdeckt. Eine Aufgabe dieses Projekts war es, möglichst viele dieser neuen Objekte durch Distanzbestimmung zu lokalisieren. Die Distanzbestimmung gelingt durch die Auflösung der schwachen Zwerggalaxien in Einzelsterne mittels Langzeitaufnahmen mit einem hochauflösenden Grossteleskop. Für drei Zwergkandidaten konnte dafür das Very Large Telescope der ESO benutzt werden. Mehr VLT-Beobachtungszeit für weitere Kandidaten wurde erst spät gewährt; die Datananalyse und die Resultate daraus fallen aus dem zeitlichen Rahmen dieses Projekts. Dafür wurde die Suche nach neuen, schwachen Zwerggalaxien auf die nördlichen M101 und Leo-I Gruppen ausgedehnt. Mit Hilfe der öffentlichen Datenbasis des 'Sloan Digital Sky Survey' (SDSS) wurden 50 weitere Zwergkandidaten in diesen Gruppen gefunden.
       Die Existenz einer scheibenartigen Verteilung von Zwergsatelliten in der Centaurus-Gruppe war bereits bekannt und wurde durch unsere neuen Kandidaten bestätigt. Ob es sich um eine den lokalen Satelliten-Ebenen analoge Struktur handelt, blieb unklar. Die beobachteten Geschwindigkeiten der bereits bekannten Zwergsatelliten zeigen aber ein deutllches Rotationsmuster, genau wie bei den lokalen Scheiben. Durch eine eingehende statistische Analyse, und mit Hilfe eines Vergleichs mit kosmologischen Simulationen, konnten wir nachweisen, dass die Bildung einer solchen kohärenten Struktur sehr unwahrscheinlich ist (die Wahrscheinlichkeit dafür beträgt weniger als 1%). Da man nun, nach der Milchstrasse und Andromeda, dank unserer Arbeit bereits zum dritten Mal auf eine solche Struktur stösst, ist das Standardmodell der Strukturentstehund mit DM, mithin die Existenz der DM selbst, ernsthaft herausgefordert. Dieses Resultat wurde in der Zeitschrift SCIENCE publiziert und fand in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und in der Presse weltweit ein grosses Echo.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 18.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Name Institute

Employees

Publications

Publication
The Leo-I group: new dwarf galaxy and ultra diffuse galaxy candidates
Müller Oliver, Jerjen Helmut, Binggeli Bruno (2018), The Leo-I group: new dwarf galaxy and ultra diffuse galaxy candidates, in Astronomy & Astrophysics, 615(A105), 1-13.
Distances from the tip of the red giant branch to the dwarf galaxies dw1335-29 and dw1340-30 in the Centaurus group
Müller Oliver, Rejkuba Marina, Jerjen Helmut (2018), Distances from the tip of the red giant branch to the dwarf galaxies dw1335-29 and dw1340-30 in the Centaurus group, in Astronomy & Astrophysics, 615(A96), 1-10.
A whirling plane of satellite galaxies around Centaurus A challenges cold dark matter cosmology
Müller Oliver, Pawlowski Marcel S., Jerjen Helmut, Lelli Federico (2018), A whirling plane of satellite galaxies around Centaurus A challenges cold dark matter cosmology, in Science, 359(6375), 534-537.
The M 101 group complex: new dwarf galaxy candidates and spatial structure
Müller Oliver, Scalera Roberto, Binggeli Bruno, Jerjen Helmut (2017), The M 101 group complex: new dwarf galaxy candidates and spatial structure, in Astronomy & Astrophysics, 602(A119), 1-13.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr. Marina Rejkuba, ESO Garching Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Dr. Marcel Pawlowski, UC Irvine United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. Helmut Jerjen, RSAA, ANU Canberra Australia (Oceania)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Dr. Federico Lelli, ESO Garching Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
IAU Symposium 344: Dwarf Galaxies – from the Deep Universe to the Present Talk given at a conference A whirling plane of satellite galaxies around Centaurus A challenges CDM cosmology 20.08.2018 Vienna, Austria Müller Oliver;
Alpine Cosmology Workshop 2018 Talk given at a conference Planes of satellite galaxies challenging CDM cosmology 15.07.2018 Val Vogna, Italy Müller Oliver;
Tensions in the LCDM paradigm Talk given at a conference Co-rotating planes of dwarf galaxy satellites challenging CDM cosmology 14.05.2018 Mainz, Germany Müller Oliver;
Fornax Deep Survey meeting Talk given at a conference Small-scale cosmology with dwarf galaxies 13.09.2017 Groningen, Netherlands Müller Oliver;
Dwarf Galaxies on the Shoulders of Giants Talk given at a conference Planes of dwarf galaxies in the local volume 05.06.2017 Cleveland, United States of America Müller Oliver;
Swiss Cosmology Days 2017 Talk given at a conference Small-scale cosmology with dwarf galaxies 06.02.2017 Basel, Switzerland Müller Oliver;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
New media (web, blogs, podcasts, news feeds etc.) Das "Plane of satellites" Problem Blog "Prosa der Astronomie" (O. Müller) German-speaking Switzerland International 2018
Talks/events/exhibitions Kosmisches "Plankton" – Zwerggalaxien und das Problem der Dunklen Materie (Binggeli) German-speaking Switzerland 2018

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
140244 Near-Field Cosmology with Southern Group Dwarf Galaxies 01.03.2013 Project funding (Div. I-III)
181808 Small-scale cosmology with dwarf galaxies 01.11.2018 Early Postdoc.Mobility

Abstract

Dwarf galaxies play a key role in our understanding of structure formation and the dark matter problem. The unexpected low abundance and disk-like distribution of faint dwarf satellites around the Milky Way and Andromeda galaxies observed in recent years pose a challenge to the LCDM standard scenario of structure formation. Much hinges upon the question of how unique or normal the dwarf galaxy population of the Local Group is. Other nearby groups of galaxies are therefore being observed now to look for similar phenomena beyond the Local Group. To provide a basis for such studies we have in the previous SNF-supported project embarked on a survey of the southern Centaurus and Sculptor groups of galaxies to find new very faint and low surface brightness dwarfs. In a extended search based on dedicated imaging with the wide-field Dark Energy Survey Camera (DECam) at CTIO covering the whole Centaurus group (ca. 500 square degs) we have discovered, and carried out surface photometry for, more than 50 new dwarf candidates (two discovery papers are published). This is essentially doubling the number of known members of the group if the candidates are confirmed. We have used ESO's VLT to determine the distances of three dwarf candidates and thereby successfully test the feasibility of that instrument to measure the distances of faint Centaurus dwarfs by the ‚Tip of the Red Giant Branch’ method. More VLT observation time for further candidates was unfortunately only granted late; the data analysis and the results thereof fall outside the timeframe of this project. Instead, the search for new, faint dwarf galaxies was extended to the northern M101 and Leo-I groups. Using the public database of the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) covering ca. 300 square degs, 50 additional dwarf candidates were found in these groups. The existence of a disk-like distribution of dwarf satellites in the Centaurus group was known before and confirmed by our new candidates. Whether it is an analogous structure to the local satellite planes remained unclear. However, the observed velocities of the already known dwarf satellites show a distinct rotation pattern, just like the local disks. Through in-depth statistical analysis, and comparison with cosmological simulations, we were able to demonstrate that the formation of such a coherent structure is very unlikely (the probability is less than 1%). Since this is the third time, after the Milky Way and Andromeda, that we have encountered such a structure thanks to our work, the standard model of the structure formation with DM, and the existence of DM itself, is seriously challenged now. This result was published in the magazine SCIENCE and found a large echo in the scientific community and in the press world-wide.
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