[論文レビュー] Annihilating the Cold Dark Matter Cusp Crisis

Manoj Kaplinghat, L. Knox+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2000

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、s波速度に依存しない断面積が約10⁻²⁸ cm²である自己相反する冷たい降着物質（CDM）が、銀河からクラスタスケールにわたり中心密度の急峻なカーブを緩和することで、CDMのカーブコア問題を解決できると提唱している。このモデルは、ρ_core ≈ 0.02 M⊙/pc³（0.8 GeV/cm³）という普遍的なコア密度を予測し、観測されたさまざまなハローにおけるコア半径の一様性の背後にあるメカニズムとしてs波相反が強く示唆されている。

ABSTRACT

Structure formation with cold dark matter (CDM) predicts halos with a central density cusp, which is observationally disfavored. If CDM particles have an annihilation cross section <sigma|v|> ~ 10^{-28} (m/GeV) cm^2, then annihilations in the dense, central parts of halos will soften the cusps. The predicted softened halo core densities depend critically upon the velocity dependence of the annihilation cross section. We show that from galactic satellites to clusters of galaxies, the halos all have nearly the same core density: rho_core ~ 0.02 M_sun/pc^3 = 0.8 GeV/cm^3. This remarkable fact implicates s-wave annihilation. We discuss the constraints on models for annihilating CDM, which point to a candidate beyond those currently favored.

研究の動機と目的

• 冷たい降着物質（CDM）シミュレーションが予測する中心密度の急峻なカーブと、観測が支持するコア型プロファイルとの間の長年の不一致を解消すること。
• 自己相反するCDMが速度に依存する断面積を持つ場合、さまざまな天体物理学的系において自然に一様なコア密度を生じるかどうかを調査すること。
• 銀河からクラスタにまで及ぶハローにおける観測されたコア密度と一致するように、相反断面積の速度依存性を特定すること。
• 観測データと照らし合わせることで、相反するCDMの妥当なモデルを制限すること。

提案手法

• 指定された速度に依存する断面積を持つ自己相反するCDMの影響を受ける暗黒物質ハローの進化をモデル化すること。
• 銀河の衛星から銀河団に至るスケールのハローにおけるコア密度プロファイルを数値シミュレーションで計算すること。
• s波相反（速度に依存しない断面積）の仮定を適用し、普遍的なコア密度予測を導出すること。
• さまざまなハロー系における回転曲線および弱引力レンズ効果からの観測測定値と、予測されたコア密度を比較すること。
• 複数スケールにわたる観測されたコア密度と整合性を持つように、相反断面積⟨σv⟩の制限を導出すること。
• さまざまなハロー質量において観測された約0.02 M⊙/pc³（0.8 GeV/cm³）の普遍的なコア密度と、モデルの整合性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 速度に依存する断面積を持つ自己相反するCDMは、銀河からクラスタスケールにわたりカーブコア問題を解消できるか？
• RQ2 暗黒物質ハローにおける普遍的なコア密度を生じる相反断面積の速度依存性は何か？
• RQ3 さまざまなハローにおいて観測されたコア密度の一様性は、s波相反と整合的か？
• RQ4 観測されたコア密度約0.02 M⊙/pc³は、相反するCDMモデルにどのような制限を課すか？
• RQ5 異なるハロー種別において、相反断面積を微調整なしに観測されたコア密度を再現できるか？

主な発見

• 本モデルは、銀河からクラスタに至るハローにおいて、ほぼ普遍的なコア密度ρ_core ≈ 0.02 M⊙/pc³（0.8 GeV/cm³）を予測する。
• この普遍的なコア密度は、速度に依存しない断面積を持つs波相反によって最も自然に説明できる。
• 観測されたコア密度は、CDM粒子に対して⟨σv⟩ ≈ 10⁻²⁸ (m/GeV) cm²の相反断面積と整合的である。
• 複数のハロー種別にわたる一致は、コア構造を形作る主要なメカニズムとしてs波相反が強く関与していることを強く示唆する。
• ハローマスや速度分散に著しく依存する速度に依存する相反断面積は、本モデルでは排除される。
• 結果から、妥当な相反するCDMモデルは、標準的WIMPモデルを超える新しい物理学を示唆する、典型的な熱的残り価値に近い断面積を持つ必要があると示唆される。