We apply the Jeans equation to estimate masses for eight of the brightest dwarf spheroidal (dSph) galaxies. For Fornax, the dSph with the largest kinematic data set, we obtain a model-independent constraint on the maximum circular velocity, Vmax = 20+4−3 km s−1. Although we obtain only lower limits of Vmax ≳ 10 km s−1 for the remaining dSphs, we find that in all cases the enclosed mass at the projected half-light radius is well constrained and robust to a wide range of halo models and velocity anisotropies. We derive a simple analytic formula that estimates M(rhalf) accurately with respect to results from the full Jeans analysis. Applying this formula to the entire population of Local Group dSphs with published kinematic data, we demonstrate a correlation such that M(rhalf) ∝ r1.4±0.4half, or in terms of the mean density interior to the half-light radius, 〈ρ〉 ∝ r−1.6±0.4half. This relation is driven by the fact that the dSph data exhibit a correlation between global velocity dispersion and half-light radius. We argue that tidal forces are unlikely to have introduced this relation, but tides may have increased the scatter and/or altered the slope. While the data are well described by mass profiles ranging over a factor of ≲2 in normalization (Vmax ∼ 10–20 km s−1), we consider the hypothesis that all dSphs are embedded within a "universal" dark matter halo. We show that in addition to the power law M ∝ r1.4, viable candidates include a cuspy "Navarro–Frenk–White" halo with Vmax ∼ 15 km s−1 and scale radius r0 ∼ 800 pc, as well as a cored halo with Vmax ∼ 13 km s−1 and r0 ∼ 150 pc. Finally, assuming that their measured velocity dispersions accurately reflect their masses, the smallest dSphs now allow us to resolve dSph densities at radii as small as a few tens of pc. At these small scales, we find mean densities as large as 〈ρ〉 ≲ 5 M☉ pc−3 (≲200 GeV cm−3).

In hierarchical cosmological models, galaxies grow in mass through the continual accretion of smaller ones. The tidal disruption of these systems is expected to result in loosely bound stars surrounding the galaxy, at distances that reach $10 - 100$ times the radius of the central disk. The number, luminosity and morphology of the relics of this process provide significant clues to galaxy formation history, but obtaining a comprehensive survey of these components is difficult because of their intrinsic faintness and vast extent. Here we report a panoramic survey of the Andromeda galaxy (M31). We detect stars and coherent structures that are almost certainly remnants of dwarf galaxies destroyed by the tidal field of M31. An improved census of their surviving counterparts implies that three-quarters of M31's satellites brighter than $M_V < -6$ await discovery. The brightest companion, Triangulum (M33), is surrounded by a stellar structure that provides persuasive evidence for a recent encounter with M31. This panorama of galaxy structure directly confirms the basic tenets of the hierarchical galaxy formation model and reveals the shared history of M31 and M33 in the unceasing build-up of galaxies.

Within the hierarchical framework for galaxy formation, minor merging and tidal interactions are expected to shape all large galaxies to the present day. As a consequence, most seemingly normal disk galaxies should be surrounded by spatially extended stellar "tidal features" of low surface brightness. As part of a pilot survey for such interaction signatures, we have carried out ultra deep, wide field imaging of eight isolated spiral galaxies in the Local Volume, with data taken at small (D = 0.1–0.5 m) robotic telescopes that provide exquisite surface brightness sensitivity (μlim(V) ∼ 28.5 mag arcsec−2). This initial observational effort has led to the discovery of six previously undetected extensive (to ∼30 kpc) stellar structures in the halos surrounding these galaxies, likely debris from tidally disrupted satellites. In addition, we confirm and clarify several enormous stellar over-densities previously reported in the literature, but never before interpreted as tidal streams. Even this pilot sample of galaxies exhibits strikingly diverse morphological characteristics of these extended stellar features: great circle-like features that resemble the Sagittarius stream surrounding the Milky Way, remote shells and giant clouds of presumed tidal debris far beyond the main stellar body, as well as jet-like features emerging from galactic disks. Together with presumed remains of already disrupted companions, our observations also capture surviving satellites caught in the act of tidal disruption. A qualitative comparison with available simulations set in a ΛCold Dark Matter cosmology (that model the stellar halo as the result of satellite disruption evolution) shows that the extraordinary variety of stellar morphologies detected in this pilot survey matches that seen in those simulations. The common existence of these tidal features around "normal" disk galaxies and the morphological match to the simulations constitutes new evidence that these theoretical models also apply to a large number of other Milky Way-mass disk galaxies in the Local Volume.

We introduce a method for measuring the slopes of mass profiles within dwarf spheroidal (dSph) galaxies directly from stellar spectroscopic data and without adopting a dark matter halo model. Our method combines two recent results: (1) spherically symmetric, equilibrium Jeans models imply that the product of half-light radius and (squared) stellar velocity dispersion provides an estimate of the mass enclosed within the half-light radius of a dSph stellar component, and (2) some dSphs have chemodynamically distinct stellar subcomponents that independently trace the same gravitational potential. We devise a statistical method that uses measurements of stellar positions, velocities, and spectral indices to distinguish two dSph stellar subcomponents and to estimate their individual half-light radii and velocity dispersions. For a dSph with two detected stellar subcomponents, we obtain estimates of masses enclosed at two discrete points in the same mass profile, immediately defining a slope. Applied to published spectroscopic data, our method distinguishes stellar subcomponents in the Fornax and Sculptor dSphs, for which we measure slopes Γ ≡ Δlog M/Δlog r = 2.61+0.43−0.37 and Γ = 2.95+0.51−0.39, respectively. These values are consistent with "cores" of constant density within the central few hundred parsecs of each galaxy and rule out "cuspy" Navarro–Frenk–White (NFW) profiles (dlog M/dlog r ⩽ 2 at all radii) with a significance ≳ 96% and ≳ 99%, respectively. Tests with synthetic data indicate that our method tends systematically to overestimate the mass of the inner stellar subcomponent to a greater degree than that of the outer stellar subcomponent, and therefore to underestimate the slope Γ (implying that the stated NFW exclusion levels are conservative).

We present an analysis of the large-scale structure of the halo of the Andromeda galaxy, based on the Pan-Andromeda Archeological Survey (PAndAS), currently the most complete map of resolved stellar populations in any galactic halo. Despite the presence of copious substructures, the global halo populations follow closely power-law profiles that become steeper with increasing metallicity. We divide the sample into stream-like populations and a smooth halo component (defined as the population that cannot be resolved into spatially distinct substructures with PAndAS). Fitting a three-dimensional halo model reveals that the most metal-poor populations () are distributed approximately spherically (slightly prolate with ellipticity c/a = 1.09 ± 0.03), with only a relatively small fraction residing in discernible stream-like structures (fstream = 42%). The sphericity of the ancient smooth component strongly hints that the dark matter halo is also approximately spherical. More metal-rich populations contain higher fractions of stars in streams, with fstream becoming as high as 86% for . The space density of the smooth metal-poor component has a global power-law slope of γ = −3.08 ± 0.07, and a non-parametric fit shows that the slope remains nearly constant from 30 kpc to ∼300 kpc. The total stellar mass in the halo at distances beyond 2° is ∼1.1 × 1010 M☉, while that of the smooth component is ∼3 × 109 M☉. Extrapolating into the inner galaxy, the total stellar mass of the smooth halo is plausibly ∼8 × 109 M☉. We detect a substantial metallicity gradient, which declines from 〈[Fe/H]〉 = −0.7 at R = 30 kpc to 〈[Fe/H]〉 = −1.5 at R = 150 kpc for the full sample, with the smooth halo being ∼0.2 dex more metal poor than the full sample at each radius. While qualitatively in line with expectations from cosmological simulations, these observations are of great importance as they provide a prototype template that such simulations must now be able to reproduce in quantitative detail.

We calculate the energy that baryons must inject into cold dark matter (CDM) halos in order to remove centrally divergent DM cusps on scales relevant to observations of dwarf spheroidal galaxies (dSphs). We estimate that the CDM halos often associated with the Milky Way's dSphs (Mvir/M☉ ∼ 109–10) require ΔE ∼ 1053–55 erg in order to form cores on scales comparable to the luminous size of these galaxies. While supernova Type II (SNeII) explosions can in principle generate this energy, the actual contribution is limited by the low star formation efficiency implied by the abundance of luminous satellites. Considering that CDM's well-known "core/cusp" and "missing satellite" problems place opposing demands on star formation efficiencies, existing observational evidences for large cores in the most luminous dSphs require that CDM models invoke some combination of the following: (1) efficient (of the order of unity) coupling of SNeII energy into dark matter particles, (2) star formation histories peaking at unexpectedly high redshifts (z ≳ 6), (3) a top-heavy stellar initial mass function, and/or (4) substantial satellite disruption or other stochastic effects to ease the substructure abundance constraints. Our models show that the tension between CDM problems on small scales would increase if cored DM profiles were to be found in fainter dwarfs.

Abstract A fundamental prediction of the Lambda cold dark matter cosmology is the centrally divergent cuspy density profile of dark matter haloes. Density cusps render cold dark matter haloes resilient to tides, and protect dwarf galaxies embedded in them from full tidal disruption. The hierarchical assembly history of the Milky Way may therefore give rise to a population of “microgalaxies”; i.e., heavily stripped remnants of early accreted satellites, which can reach arbitrarily low luminosity. Assuming that the progenitor systems are dark matter dominated, we use an empirical formalism for tidal stripping to predict the evolution of the luminosity, size, and velocity dispersion of such remnants, tracing their tidal evolution across multiple orders of magnitude in mass and size. The evolutionary tracks depend sensitively on the progenitor distribution of stellar binding energies. We explore three cases that likely bracket most realistic models of dwarf galaxies: one where the energy distribution of the most tightly bound stars follows that of the dark matter, and two where stars are defined by either an exponential density or surface brightness profile. The tidal evolution in the size–velocity dispersion plane is quite similar for these three models, although their remnants may differ widely in luminosity. Microgalaxies are therefore best distinguished from globular clusters by the presence of dark matter; either directly, by measuring their velocity dispersion, or indirectly, by examining their tidal resilience. Our work highlights the need for further theoretical and observational constraints on the stellar energy distribution in dwarf galaxies.