[論文レビュー] Astrometric Microlensing by Local Dark Matter Subhalos

Adrienne L. Erickcek, Nicholas M. Law|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、銀河系内のダークマター準銀河団を、位置計測的微小レンズ効果（アストロメトリックマイクロレンズ効果）を用いて検出する手法を提案している。これは、準銀河団が星の前を通過する際に生じる重力レンズ効果によって引き起こされる、星の光の位置の微小なずれを測定するものである。N-bodyシミュレーションと一般化されたレンズ効果断面積形式を用いて、中質量準銀河団（Mvir > 10,000 M☉）で核密度が高ければ、数μas以上の検出可能なアストロメトリック信号が得られると判明した。これは、Gaia や SIM、地上の適応光学系によって観測可能である可能性がある。ただし、これは準銀河団の中心密度が現在のモデル予測を上回っている場合に限る。

ABSTRACT

High-resolution N-body simulations of dark matter halos indicate that the Milky Way contains numerous subhalos. When a dark matter subhalo passes in front of a star, the light from that star will be deflected by gravitational lensing, leading to a small change in the star's apparent position. This astrometric microlensing signal depends on the inner density profile of the subhalo and can be greater than a few microarcseconds for an intermediate-mass subhalo (Mvir > 10000 solar masses) passing within arcseconds of a star. Current and near-future instruments could detect this signal, and we evaluate SIM's, Gaia's, and ground-based telescopes' potential as subhalo detectors. We develop a general formalism to calculate a subhalo's astrometric lensing cross section over a wide range of masses and density profiles, and we calculate the lensing event rate by extrapolating the subhalo mass function predicted by simulations down to the subhalo masses potentially detectable with this technique. We find that, although the detectable event rates are predicted to be low on the basis of current simulations, lensing events may be observed if the central regions of dark matter subhalos are more dense than current models predict (>1 solar mass within 0.1 pc of the subhalo center). Furthermore, targeted astrometric observations can be used to confirm the presence of a nearby subhalo detected by gamma-ray emission. We show that, for sufficiently steep density profiles, ground-based adaptive optics astrometric techniques could be capable of detecting intermediate-mass subhalos at distances of hundreds of parsecs, while SIM could detect smaller and more distant subhalos.

研究の動機と目的

• 重力レンズ効果によって星の位置が測定可能なずれを引き起こす、アストロメトリックマイクロレンズによるダークマター準銀河団の検出可能性を評価すること。
• 現在および将来のアストロメトリック観測機器（Gaia、SIM、地上の適応光学系）が、このような信号を検出できる感度を評価すること。
• 特に高い中心密度を示す準銀河団の密度プロファイルが、検出可能性とイベントレートに与える影響を調査すること。
• ガンマ線放射によって事前に検出された準銀河団の存在を、標的的なアストロメトリック観測によって確認できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 広い質量範囲および密度プロファイルにわたる準銀河団のアストロメトリックレンズ効果断面積を計算する一般化された形式を構築した。
• 高分解能のN-bodyシミュレーションを用いて、アストロメトリックマイクロレンズ効果で検出可能な質量まで、準銀河団質量関数をモデル化し、外挿した。
• 準銀河団質量関数とレンズ効果断面積形式を統合することで、アストロメトリックマイクロレンズの期待イベントレートを計算した。
• Gaia、SIM、地上の適応光学系の感度限界と比較して、予測されたアストロメトリックずれ（マイクロアーキセコンド単位）の検出可能性を評価した。
• 準銀河団の集中度と核密度が検出可能性に与える影響を評価し、特に中心部に0.1 pc以内に1 M☉以上の質量を持つ準銀河団に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の準銀河団質量関数の予測に基づいて、銀河系内のダークマター準銀河団によるアストロメトリックマイクロレンズイベントの期待発生レートはどの程度か？
• RQ2 特に高い中心密度を示す準銀河団の密度プロファイルは、アストロメトリック信号の振幅と検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 Gaia、SIM、または地上の適応光学系のうち、どの機器が、さまざまな距離と質量の下で中質量準銀河団を検出できるか？
• RQ4 ガンマ線放射によって検出された準銀河団の存在を、標的的なアストロメトリック観測によって確認できるか？

主な発見

• 中質量準銀河団（Mvir > 10,000 M☉）が星の数秒以内を通過する際、数マイクロアーキセコンドを超えるアストロメトリックマイクロレンズ信号が生じる可能性があり、これは検出可能である。
• 現在のシミュレーションでは検出可能なイベントレートが低いが、準銀河団の中心密度が現在のモデル予測を上回る（例：0.1 pc以内に1 M☉以上）場合、これは顕著に増加する可能性がある。
• 地上の適応光学アストロメトリーベースの観測では、密度プロファイルが急峻な中質量準銀河団を、数パーセクの距離で検出可能である。
• SIMは、高い角度分解能と感度のおかげで、地上系システムよりも小さな質量でより遠方の準銀河団を検出可能である。
• 標的的なアストロメトリック観測は、ガンマ線放射によって事前に検出された準銀河団の存在を確認するツールとして機能できる。特に密度プロファイルが急峻な準銀河団に対して有効である。
• 本稿で開発されたレンズ効果断面積形式により、広い質量範囲および構造的パrameterの範囲で検出可能な準銀河団集団の信頼性の高い推定が可能になった。