[論文レビュー] A solution of the cusp problem in relaxed halos of dark matter

E. V. Mikheeva, A. Doroshkevich+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2007

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、初期の小スケール速度ゆらぎをエントロピー質量関数によって定量化することで、緩和されたハローにおけるクサビ形成を抑制し、コア型密度プロファイルを好むランダムな速度変動を導入することにより、ダークマターの初期小スケール速度ゆらぎが、緩和されたハローにおけるクサビ形成を抑制し、コア型密度プロファイルを好むランダムな速度変動を導入することにより、エントロピー質量関数を用いて、初期のエントロピーと非線形的緩和からのエントロピーを組み合わせることで、観測された回転曲線を再現し、その散らばりを説明し、宇宙論的パラメータを変更せずにΛCDMにおけるクサビ問題を解決するモデルを提案する。

ABSTRACT

We propose a solution of the cusp problem in framework of the standard $Λ$CDM cosmology. To do this we describe the linear and nonlinear periods of halo formation by the entropy function of dark matter particles. This approach allows us to take into account together the impact of both the processes of nonlinear relaxation of compressed matter and the small scale initial velocity perturbations in collapsed halos. We show that such random velocities lead to the random variations of the density profile of relaxed halos. As a rule, they suppress the formation of cusp--like halos and favor the creation of core--like ones. This approach allows us to reproduce observed rotation curves, to explain their random scatter and deviations from simulated ones.

研究の動機と目的

• ΛCDM宇宙論におけるクサビ問題を解決すること。ここで、シミュレーションはα ≥ 1のクサビ型密度プロファイルを予測するが、観測ではα < 1のコア型プロファイルが観測される。
• 初期の小スケール速度ゆらぎと非線形的緩和が、緩和されたハロー密度プロファイルにどのように寄与するかを調査すること。
• 観測された回転曲線の散らばりと、NFWプロファイルとは異なる点を説明すること。
• 初期速度ゆらぎからのエントロピーが、クサビ形成を抑制し、コア型構造を好むことを示すこと。

提案手法

• 初期速度ゆらぎと非線形的緩和の両方がハロー構造に与える影響を記述するため、エントロピー質量関数F(M)を導入する。
• 線形スケールの速度ゆらぎから得られる初期エントロピー分布F_b(M)をモデル化し、断熱的圧縮を仮定する。
• N体シミュレーションの結果（例：NFWプロファイル）を用いて、緩和によって生成されるエントロピーF_g(M)をモデル化する。
• F(M) = √(F_b² + F_g²)により初期エントロピーと生成エントロピーを結合し、ハローごとのばらつきを表すランダム要因κを導入する。
• 結合エントロピー関数から円運動速度プロファイルを再構築し、観測およびシミュレーションされた回転曲線と比較する。
• 密度プロファイルρ(r) ∝ r^−αのべき乗近似を用い、αとエントロピー指数βの関係をβ₁ = 5α/(3(3−α))およびβ₂ = (6−α)/(3(3−α))で関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターにおける初期の小スケール速度ゆらぎは、緩和されたハローにおけるクサビ型密度プロファイルの形成を抑制できるか？
• RQ2 初期エントロピーと非線形的緩和によるエントロピーの組み合わせが、回転曲線の形状にどのように影響するか？
• RQ3 なぜ観測された回転曲線は散らばりを示し、しばしばシミュレーションで予測されるNFWプロファイルから逸脱するのか？
• RQ4 エントロピー質量関数F(M)が、クサビ型からコア型プロファイルへの移行をどの程度説明できるか？
• RQ5 回転曲線の観測された散らばりは、初期エントロピーと緩和によって生成されるエントロピーの相対的寄与のハローごとのばらつきによって説明可能か？

主な発見

• 10⁸と10¹² M☉の間の質量を有するハローにおいて、小スケール速度ゆらぎからの初期エントロピーが、クサビ形成を抑制し、コア型プロファイルを好む。
• 結合エントロピーモデルF(M) = √(F_b² + F_g²)は、観測された回転曲線をうまく再現し、NFWプロファイルとバーグァートプロファイルの間のギャップを埋める。
• 初期エントロピーβ_b = 0.333のハローでは、回転曲線はNFWとバーグァートの間の範囲をカバーし、観測された散らばりを再現する。
• 質量M ≤ 10⁸ M☉の低質量ハローでβ_b = 0.567または0.667の場合、回転曲線はNFWプロファイルに近く、矮星系ではNFW型の振る舞いが見られる可能性を示唆する。
• 臨界値β_cr = 5/6はα = 1（対数的クサビ）に対応し、初期エントロピーによるこの値からのずれがα < 1を引き起こし、コア形成を示す。
• このモデルは、一部の豊富なクラスタでα > 1が観測される理由を説明する。初期エントロピー効果が質量の大きな系では支配的でないためである。