[論文レビュー] Binary stars as probes of dark substructures in dwarf galaxies

Jorge Peñarrubia, S. E. Koposov+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ΛCDMモデルが予測するダークマターの小構造を、矮小球状銀河（dSph）内の広がった恒星連星を用いて探査することを提案する。宇宙論的根拠に基づく小ホールの集団による潮汐破壊率を分析することで、連星間隔関数は $ a_{\rm max} \lesssim 0.1 $ pc で切断され、それより大きな間隔では $ dN/da \propto a^{-2.1} $ のべき乗則的傾きを示すことが示され、これはハッブル宇宙望遠鏡のACSを用いて100 kpc以内のdSphで10%の連星率でさえも検証可能である。

ABSTRACT

We use analytical and N-body methods to examine the survival of wide stellar binaries against repeated encounters with dark substructures orbiting in the dark matter haloes of dwarf spheroidal galaxies (dSphs). Our models adopt cosmologically-motivated conditions wherein dSphs are dark-matter dominated systems that form hierarchically and orbit about a host galaxy. Our analytical estimates show that wide binaries are disrupted at a rate that is proportional to the local density of dark substructures averaged over the life-time of the binary population. The fact that external tides can efficiently strip dark substructures from the outskirts of dSphs implies that the present number and distribution of binaries is strongly coupled with the mass evolution of individual galaxies. Yet we show that for the range of dynamical masses and Galactocentric distances spanned by Milky Way dSphs, a truncation in the separation function at a_max

研究の動機と目的

• 最もダークマターに支配された系として知られる矮小球状銀河（dSph）におけるダークマター小構造の存在を検証すること。
• 広がった恒星連星が、低質量でバリオンをほとんど含まない銀河ハロー内のダーク小構造を感度よく探査できるかを特定すること。
• 小構造に起因する潮汐破壊がdSphにおける連星間隔関数に与える観測可能なシグネチャーを予測すること。
• 特にハッブル宇宙望遠鏡のACSカメラを用いた現在の機器で、このシグネチャーを検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• スケールフリーな小ホール質量関数と宇宙論的根拠に基づく小構造密度を仮定し、繰り返し起こる潮汐的相互作用による連星破壊率を解析的にモデル化する。
• 小構造の影響下での連星間隔関数を導出し、$ a \gg a_{\rm max} $ の領域で $ dN/da \propto a^{-2.1} $ となることを示す。ここで $ a_{\rm max} \propto \langle \rho_p \rangle^{-2/3} $ である。
• 解析的予測の妥当性を検証するため、動力学的質量、銀河中心距離、星族の性質といった現実的なdSphパラメータを用いたN体シミュレーションを実施する。
• 初期連星分布にÖpikの法則（$ P(a) \propto a^{-1} $）を採用し、ダートマス星の進化プログラムから得られる星の明るさ関数を用いる。
• ハッブル・ACSを用いた広がった連星の検出に必要な信号対雑音比（S/N）を推定し、PSF分解能（1ピクセルあたり0.05"）と限界星等級（$ m_{\rm lim} = 29 $）を考慮する。
• 複数回の深宇宙露光をシミュレートして累積的な検出感度を評価し、露出時間の延長に伴いS/Nが向上することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛCDMモデルが予測する低質量・バリオンを含まないダークマター小構造を、dSph内の広がった恒星連星を用いて検出可能か？
• RQ2 ダークマター小構造集団の影響を受けるdSphにおける連星間隔関数の期待される形状は何か？
• RQ3 小構造の衝突によって連星分布が切断される間隔 $ a_{\rm max} $ は何か？また、小構造密度にどのように依存するか？
• RQ4 ハッブル宇宙望遠鏡のACSカメラは、100 kpc圏内のdSphで、10%の低連星率であっても予測された連星シグネチャーを検出可能か？
• RQ5 dSphにおける広がった連星の検出可能性は、距離と露光深さにどのように依存するか？

主な発見

• ミルキーウェイのdSphでは、ダークマター小構造による潮汐破壊のため、連星間隔関数に $ a_{\rm max} \lesssim 0.1 $ pc での切断が予測される。
• $ a_{\rm max} $ よりも大きな間隔では、摂動を受けた連星分布は $ dN/da \propto a^{-2.1} $ のべき乗則的傾きを示し、小構造の質量や密度に依存しない。
• 切断スケール $ a_{\rm max} $ は、平均小構造密度の立方根の逆数に比例し、$ a_{\rm max} \propto \langle \rho_p \rangle^{-2/3} $ と表せる。
• ハッブル・ACSは、100 kpc圏内のdSphで、10%の連星率であっても予測された連星シグネチャーを検出可能であり、深宇宙露光によりS/N > 4を達成できる。
• 10回の深宇宙露光を組み合わせると、ウルサ・マイノル、ボーテスI、ドラコのdSphにおけるS/Nはそれぞれ5.0、4.5、4.4に達し、有意な検出が可能になる。
• サジタリウスdSphは例外的であり、潮汐的剥ぎ取りにより大部分のダークマターハローが失われているため、期待される切断効果が弱い。