[論文レビュー] A Stringent Upper Limit on Dark Matter Self-Interaction Cross Section from Cluster Strong Lensing

Kevin E Andrade, Jackson Fuson+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 120被引用数 88

ひとこと要約

本研究では、8つの巨大銀河団における強い重力レンズ効果を用いて、暗黒物質（DM）の自己散乱断面積を制約し、68%信用区間でσ/m = 0.082+0.027−0.021 cm²/g、95%信頼区間でσ/m < 0.13 cm²/gの結果を得た。この手法はレンズモデルと自己散乱暗黒物質（SIDM）ホールプロファイルを組み合わせ、画像位置からDM密度プロファイルを推定し、解析的SIDMモデルにフィットさせることで、強いレンズデータのみを用いた最新のなかでもきびしい制約を達成した。

ABSTRACT

We analyze strongly lensed images in 8 galaxy clusters to measure their dark matter density profiles in the radial region between 10 kpc and 150 kpc, and use this to constrain the self-interaction cross section of dark matter (DM) particles. We infer the mass profiles of the central DM halos, bright central galaxies, key member galaxies, and DM subhalos for the member galaxies for all 8 clusters using the Qlens code. The inferred DM halo surface densities are fit to a self-interacting dark matter (SIDM) model, which allows us to constrain the self-interaction cross section over mass $\sigma$/m. When our full method is applied to mock data generated from two clusters in the Illustris-TNG simulation, we find results consistent with no dark matter self-interactions as expected. For the eight observed clusters with average relative velocities of $1458_{-81}^{+80}$ km/s, we infer $\sigma$/m = $0.082_{-0.021}^{+0.027}$ cm$^2$/g and $\sigma$/m < 0.13 cm$^2$/g at the 95% confidence level.

研究の動機と目的

• 強い重力レンズ効果を用いて、巨大銀河団における暗黒物質（σ/m）の自己散乱断面積を制約すること。
• 強いレンズ効果のみで、自己散乱暗黒物質（SIDM）に対するきびしい制約が得られるかを、銀河団中心部のDMおよびバリオン質量分布のモデル化により検証すること。
• レンズに基づくDM密度プロファイル推定における、線路上の投影およびモデル仮定による濃度およびホール形状の系統的バイアスを評価すること。
• Illustris-TNGシミュレーションからのモックデータを用いて、手法の妥当性を検証し、自己散乱なしの条件と整合することを確認すること。

提案手法

• 8つの緩和された銀河団における全質量分布をQLensコードを用いてモデル化し、暗黒物質ホール、明るい中心銀河（BCG）、メンバー銀河、DM準惑星の寄与を含めた。
• 強いレンズ像を用いて表面質量密度プロファイルを推定し、画像位置と複数像がレンズモデルの制約条件として使用された。
• 解析的SIDMホールモデルを適用し、外側プロファイルはNFW形をとるが、自己散乱により内側領域が等温的になるようにし、遷移半径はσ/mによって決定された。
• 宇宙論的事前分布を用いて、線路上に沿った伸びを許容することで、軸比の制御がなされ、投影効果によるバイアスが低減された。
• 全銀河団からの推定σ/m値を、共通の系統的誤差を加えて統合し、モデリングの不確実性を考慮したグローバル制約を導出した。
• 手法はIllustris-TNGシミュレーションからの2つのモック銀河団を用いて検証され、自己散乱なしの条件と整合することが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い重力レンズ効果のみで、暗黒物質（σ/m）の自己散乱断面積にきびしい制約を課すことができるか？
• RQ2 ホールの伸びおよび線路上の投影効果が、レンズモデルにおけるDM濃度およびσ/mの推定にどのように影響するか？
• RQ3 特にBCGを含むバリオン成分が、高質量銀河団における推定DM密度プロファイルおよびσ/mにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 推定されたDMホールパラメータは、ΛCDMおよびSIDMシミュレーションの予想とどの程度一致するか？
• RQ5 レンズモデリングにおける系統的誤差が、最終的なσ/m制約にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 分析により、68%信用区間での自己散乱断面積の制約としてσ/m = 0.082+0.027−0.021 cm²/gが得られた。
• 95%信頼区間では上限がσ/m < 0.13 cm²/gであり、これはクラスタスケールのレンズ効果から得られたSIDMのなかでもきびしい制約の一つである。
• クラスタ内のDM粒子の平均相対速度は1458+80−81 km/sであり、速度依存的断面積の観点から重要である。
• BCGとDMホール中心の投影上の中央差の中央値は4 kpcであり、σ/m ≪ 1 cm²/gのシナリオと整合的である。
• 画像位置の再現はRMS誤差が0.′′32から1.′′07の間で達成され、MACS2129でのみ1つの外れ画像が存在した。
• モデリングによる系統的誤差は0.27 dexと推定され、不完全なホールまたはバリオンプロファイル仮定によるバイアスの可能性を示唆した。