[論文レビュー] A population of dwarf galaxies deficient in dark matter

Qi Guo, Huijie Hu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、19個の矮星族銀河（うち14個は孤立型）が、低質量系においてはダークマターが支配的であると予測する標準的宇宙論モデルに反する、最小限のダークマター含量を持つことが同定された。これらの結果は、一部の矮星族銀河が、光学的半光半径を越えてさえもバリオンによって主に構成されている可能性を示唆しており、ダークマター駆動型構造形成の予測と潜在的な不一致を示している。

ABSTRACT

In the standard cosmological model, dark matter drives the structure formation and constructs potential wells within which galaxies could form. The baryon fraction in dark halos could reach the universal value in rich clusters and drops fast towards low mass systems. The formation of dwarf galaxies is sensitive both to baryonic processes and the properties of dark matter due to their shallow potential well. In dwarf galaxies in the Local Group, dark matter dominates the mass content even within their half optical light radii (r_e ~ 1 kpc). However, statistical studies beyond the Local Group were hampered by the extreme faintness of such systems in the past. Here we report 19 dwarf galaxies that could mainly consist of baryons up to radii well beyond r_e, where they are expected to be dominated by dark matter. 14 of them are isolated dwarf galaxies, free from the influence of nearby bright galaxies/AGNs and high dense environments. This result provides observational evidence that could challenge the formation theory of low-mass galaxies in the framework of standard cosmology.

研究の動機と目的

• 局所銀河団外における矮星族銀河のダークマター含量を調査すること。ここでは、明るさの低さのため観測的制限が限られていた。
• 低密度環境に位置する矮星族銀河が最小限のダークマターを有するかどうかを特定し、ダークマター支配の予想に反するものである。
• 標準的宇宙論モデルが低質量系におけるバリオン質量分率およびダークマター分布に予測する内容を検証すること。
• 外部要因からの影響を受けていない孤立型矮星族銀河を同定し、ダークマター不足の固有の性質を分離すること。

提案手法

• 微弱な矮星族銀河の星の運動および光度プロファイルを測定するため、深さのある光度的および分光的調査を実施した。
• 速度分散の測定値を用いて、全質量を推定し、星の光からのバリオン質量推定値と比較した。
• 動力学的モデリングを用いて、光学的半光半径（r_e ~ 1 kpc）を越える半径におけるダークマター割合を推定した。
• 明るい近隣銀河や高密度環境に近い銀河を除外することで、孤立系を選別し、潮汐的および環境的影響を最小限に抑えた。
• 観測された質量対光度比を、標準的宇宙論モデルにおける理論的期待値と比較した。
• 観測された動力学的挙動がバリオン質量のみで説明可能かどうかを評価することで、ダークマター不足の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低密度環境に位置する矮星族銀河は顕著なダークマター不足を示すか？
• RQ2 矮星族銀河に観測された質量のどの程度がバリオン物質のみで説明可能か？
• RQ3 孤立型矮星族銀河の動的質量プロファイルは、標準的宇宙論モデルの予測とどのように異なるか？
• RQ4 ダークマター不足の矮星族銀河の存在が、銀河形成理論にどのような含意を持つのか？
• RQ5 これらの矮星族銀河の観測された性質は、フィードバック駆動型または代替的ダークマターモデルと整合的か？

主な発見

• 19個の矮星族銀河が、光学的半光半径を越えてバリオン質量支配の質量プロファイルと整合的であることが同定された。
• そのうち14個は孤立型であり、ダークマターの欠如が潮汐的剥がしのような環境的要因によるものではないことを示している。
• 観測された速度分散は、バリオン質量のみで説明可能な質量対光度比を示しており、ダークマター寄与が最小限であることを示唆している。
• これらの系におけるバリオン質量分率は、標準的宇宙論モデルの予想を上回っており、特に大きな半径で顕著である。
• 特に孤立環境においても、ダークマターが支配的であると予測される低質量系において、その予測が成り立たないことを示している。
• このような系の存在は、低質量領域における標準的銀河形成モデルに潜在的な不一致を示唆している。