[論文レビュー] Analysis of galactic tides and stars on CDM microhalos

G. W. Angus, Hongsheng Zhao|Aug 27, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、N体シミュレーションを用いて、ミルキーウェイ銀河内の恒星の接近と銀河潮汐によって引き起こされるCDMマイクロハロー（10^{-6} M⊙、0.01 pc）の潮汐破壊をモデル化している。マイクロハローの生存時間は、その軌道に沿った平均恒星密度に強く依存しており、接線方向に非対称なマイクロハローは、径方向に非対称なものよりもわずかに長く生存する。また、破壊されたマイクロハローは、位相空間で検出可能な長寿命で繊維状の流れを形成する。

ABSTRACT

A special purpose N-body simulation has been built to understand the tidal heating of the smallest dark matter substructures ($10^{-6}\msun$ and 0.01pc) from the grainy potential of the Milky Way due to individual stars in the disk and the bulge. To test the method we first run simulations of single encounters of microhalos with an isolated star, and compare with analytical predictions of the dark particle bound fraction as a function of impact parameter. We then follow the orbits of a set of microhalos in a realistic flattened Milky Way potential. We concentrate on (detectable) microhalos passing near the Sun with a range of pericenter and apocenter. Stellar perturbers near the orbital path of a microhalo would exert stochachstic impulses, which we apply in a Monte Carlo fashion according to the Besancon model for the distribution of stars of different masses and ages in our Galaxy. Also incorporated are the usual pericenter tidal heating and disk-shocking heating. We give a detailed diagnosis of typical microhalos and find microhalos with internal tangential anisotropy are slightly more robust than the ones with radial anisotropy. In addition, the dark particles generally go through of a random walk in velocity space and diffuse out of the microhalos. We show that the typical destruction time scales are strongly correlated with the stellar density averaged along a microhalo's orbit over the age of the stellar disk. We also present the morphology of a microhalo at several epochs which may hold the key to dark matter detections.

研究の動機と目的

• 現実的なミルキーウェイのポテンシャル下で、恒星の接近と銀河潮汐によるCDMマイクロハローの潮汐破壊をモデル化すること。
• 確率的恒星摂動の下で、異なる内部非対称性（径方向対比接線方向）を有するマイクロハローの生存時間を評価すること。
• マイクロハロー破壊および流れ形成における恒星密度、軌道エネルギー、角運動量の役割を定量化すること。
• 直接的および間接的ダークマター検出実験におけるマイクロハローおよびその破片の流れの検出可能性を評価すること。

提案手法

• N体ツリー計算コードを用いて、マイクロハローと恒星の単一の接近をシミュレートし、解析的インパulse近似と比較した。
• ベサコン銀河モデルに基づく恒星分布、質量、年齢のモンテカルロサンプリングを用いて、恒星接近を適用した。
• 数ギガ年間にわたり、3成分（ディスク、バルジ、ハロー）のミルキーウェイポテンシャル内でのマイクロハロー軌道を統合した。
• 潮汐加熱および粒子の脱出を評価するために、束縁質量分率と速度分散の時間変化を追跡した。
• 初期マイクロハロー構造をNFWプロファイルでモデル化し、固定質量（10^{-6} M⊙）と潮汐半径（0.01 pc）を設定した。
• マイクロハローの位相空間的変化および形態的変化を分析し、破壊後の繊維状の流れの形成を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝突パラメータの関数として、単一の恒星接近がCDMマイクロハローの束縁質量分率に与える影響は何か？
• RQ2 マイクロハローの生存時間とその軌道に沿った平均恒星密度との相関関係は何か？
• RQ3 内部速度非対称性（径方向対比接線方向）は、マイクロハローの潮汐破壊に対する耐性にどのように影響するか？
• RQ4 ディスクショッキングと恒星接近は、マイクロハローの質量損失および速度拡散にどの程度寄与するか？
• RQ5 破壊後のマイクロハロー破片の流れの形態的特徴と持続時間は何か？

主な発見

• マイクロハローの生存時間は、軌道に沿った平均恒星密度のべき乗則に従う。これは、高密度領域が生存時間を著しく短くするということを示している。
• 接線方向に非対称なマイクロハローは、径方向に非対称なものよりもわずかに耐性が高く、速度分散の増幅が抑制されるためである。
• ダークマター粒子は速度空間でランダムウォークを経験し、拡散を経て最終的にマイクロハローから脱出する。
• 恒星接近は確率的インパルスを引き起こし、特に近点付近で顕著な質量損失を引き起こす。臨界衝突パラメータでは95％の粒子が脱出する。
• 破壊されたマイクロハローは、5ギガ年以上にわたり一貫性を保つ長寿命で繊維状の流れを形成し、直接検出実験での検出可能性が向上する可能性がある。
• 軌道エネルギーと角運動量は、生存時間の強力な予測要因である。高エネルギー・高角運動量の軌道は、より長い生存時間を示す。