[論文レビュー] Beyond the standard $Λ$CDM cosmology: the observed structure of DM halos and the shape of the power spectrum

M. Demiański, А. G. Doroshkevich|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、観測されたダークマター（DM）ハロー構造と宇宙論的シミュレーションの両者を調和させるために、コールドDM（CDM）とホットDM（HDM）の2成分を組み合わせた修正されたDMモデルを提案する。ペーブルズの形成期の概念に基づく球対称ハロー形成モデルを用い、準拠的関係として、準拠質量とコア特性（密度、圧力、エントロピー）の間の関係を導出する。その結果、標準的なΛCDMモデルよりも、特にクラスターやドワーフ銀河において、大スケールでパワーが強化された2成分DMスペクトルの方が観測とよりよく一致することが示された。

ABSTRACT

Recent advances in observational astronomy allow to study various groups of Dark Matter (DM) dominated objects from the dwarf spheroidal (dSph) galaxies to clusters of galaxies that span the mass range from $10^{6} M_{\odot}$ to $10^{15} M_{\odot}$. To analyze data of this divers collection of objects we used a simple toy model of spherical DM halo formation that was initially proposed by Peebles. This model introduced the concept of the epoch or redshift of halo formation. Using this concept we analyzed selected sample of DM dominated objects and we have found empirical correlations between the virial mass, $M_{vir}$, of halos and basic parameters of their cores, namely, the mean DM density, pressure and entropy. These correlations are a natural result of similar evolution of all such objects. It is driven mainly by gravitational interactions what implies a high degree of self similarity of both the process of halos formation and their internal structure. We confirmed the CDM--like shape of both the small and large scale power spectrum. However, our reconstruction of the evolutionary history of observed objects differs from expectations of the standard $Λ$CDM cosmology and requires either a multicomponent composition of DM or a more complex primordial power spectrum of density perturbations with significant excess of power at scales of clusters of galaxies and larger. We demonstrated that a model with suitable combination of the heavy DM particles (CDM) and DM particles with large damping scale (HDM) could provide a successful description of the observational data in a wide range of masses.

研究の動機と目的

• 10⁶–10¹⁵ M☉の広い質量スケールにわたり、ΛCDMの予測と観測されたDMハロー構造との乖離を解消すること。
• 観測されたDMハローの自己相似的構造が、非標準的な初期パワースペクトルを示唆するかどうかを調査すること。
• 2成分DMモデル（CDM + HDM）が、小スケール（ドワーフ銀河）および大スケール（クラスター）の両方の観測を同時に説明できるかどうかを検証すること。
• DMハローにおける準拠質量とコアパラメータ（密度、圧力、エントロピー）の間の経験的相関関係を導出すること。
• 標準的宇宙論モデルにおける緊張を解消するための代替的なDM組成や初期パワースペクトルの妥当性を評価すること。

提案手法

• ペーブルズの球対称ハロー形成モデルを採用し、ハローの進化を記述するための主要パラメータとして形成期を導入する。
• dSphからクラスターに至るDM支配の天体に関する経験的データを用い、準拠質量 $M_{\text{vir}}$ とコア特性（平均密度、圧力、エントロピー）との間の相関関係を導出する。
• バーリアの定理から速度分散 $\sigma_v^2(M_{\text{vir}})$ を導出し、$S_r \propto T_r m_{\text{DM}}^{2/3} \rho_m^{-2/3}$ を介してエントロピーと温度に結びつける。
• ハロー内でのランダム運動に起因するエントロピー生成をモデル化し、$T_r \propto M_{12}^{0.6}/(1+z_f)$ および $S_r \propto M_{12}^{0.81}$ を推定する。ここで $M_{12} = M_{\text{vir}}/10^{12}M_\odot$ である。
• 異なる音速（$\beta_1 \propto 1+z$, $\beta_2 = 0$）を持つ2成分の非相対論的流体摂動を用い、CDMとHDMの進化をモデル化する。
• 摂動方程式（B.1）–（B.4）を解き、重い成分の小スケール摂動が $\delta_2 \propto (1+z)^{-\gamma}$ と進化することを示し、$\gamma = (\sqrt{1+24\alpha_2} - 1)/4$ となる。これは標準的な $\delta \propto (1+z)^{-1}$ とは異なり、小スケールで成長が修正されることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMハローにおける準拠質量とコアパラメータ（密度、圧力、エントロピー）の経験的相関関係は、自己相似的重力収縮モデルで説明可能か？
• RQ2 ドワーフ銀河からクラスターに至るDMハローの観測された構造は、標準的なΛCDMパワースペクトルの修正を要請するか？
• RQ3 初期パワースペクトルが修正された2成分DMモデル（CDM + HDM）は、ΛCDMよりも小スケールおよび大スケールの構造観測をよりよく再現できるか？
• RQ4 ランダム運動に起因するエントロピー生成はハロー内で果たす役割は何か？また、準拠質量および形成赤方偏移とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 混合CDM+HDM媒体における摂動は、標準的なΛCDMとはどのように異なり、特に小スケールでどのように進化するか？

主な発見

• 準拠質量 $M_{\text{vir}}$ とコアパラメータ（密度、圧力、エントロピー）との間の経験的相関関係は、自己相似的重力収縮モデルと整合的であり、普遍的な形成機構を支持する。
• 観測されたハローの再構築された進化歴はΛCDMの予測から逸脱しており、2成分DMまたはクラスターや大スケールでパワーが強化された初期パワースペクトルの導入を要請する。
• 大スケール減衰長を持つCDMおよびHDM粒子を組み合わせたモデルは、$10^6M_\odot$ から $10^{15}M_\odot$ までの全質量スケールで観測データをうまく説明できる。
• ハロー内のエントロピーは $S_r \approx 6.4M_{12}^{0.81}\mu^{5/3}g_r(\eta_f/4.1)^3 \, \text{cm}^2\text{keV}$ とスケーリングされ、観測推定値と整合的である。
• 2成分系における小スケール摂動では、重い粒子成分の摂動が $\delta_2 \propto (1+z)^{-\gamma}$ と進化し、$\gamma \leq 1$ となる。これは標準的な $\delta \propto (1+z)^{-1}$ とは異なり、小スケールで成長が修正されていることを示唆する。
• $\alpha_2 = 1/8$ のとき、成長指数 $\gamma = 1/4$ が軽い成分と一致し、同期的な進化と混合DMモデルにおけるスケール不変性の可能性を示唆する。