[論文レビュー] Comparing rotation curve observations to hydrodynamic ΛCDM simulations of galaxies

Andrew B. Pace|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、Di Cintioら（2014b）が提唱したバリオン誘発的ハロー応答モデルを、大規模な観測された銀河回転曲線のサンプルを用いて検証した。このモデルは、ダークマター・ハローの構造と星間質量を関連付けるものであるが、コア型の回転曲線を説明できる一方で、宇宙論的ハロー質量および濃度関係を再現できない。これは、低質量領域における流体力学的シミュレーションとΛCDMの予測との間に根本的な矛盾があることを示唆している。

ABSTRACT

The formation of the disk and feedback from supernova winds impacts the distribution of dark matter in galaxies. Recently, Di Cintio et al. (2014b) characterized the halo response from baryonic processes in hydrodynamical simulations via a dependence on the ratio of stellar-to-halo mass ($M_{\star}/M_{ m halo}$). The (stellar) mass dependent halo profile links together the local and global properties of the halo (e.g. inner slope and $M_{ m halo}$) which allows for measurements of $M_{ m halo}$ without virial tracers. We compile a large sample of rotation curves from the literature to test this halo profile. We find that this halo profile can explain rotation curve observations over a wide range of $M_{\star}$. However, the global results from our sample are inconsistent with a $Λ$ cold dark matter universe. We do not find the expected correlation between the halo concentration and $M_{ m halo}$ and there is significantly larger scatter than expected. Furthermore, a large portion of galaxies below $M_{\star} \sim 10^{9}\,M_{\odot}$ are found to be hosted by smaller halos than expectations from the abundance matching technique. We find our results are robust to statistical priors and systematic effects such as inclination angle, asymmetric drift correction, data source, and uncertainties in stellar mass-to-light ratios. This suggests either a mischaracterization of the halo response due to baryonic processes or additional non-standard dark matter physics.

研究の動機と目的

• 流体力学的ΛCDMシミュレーションから得られる星間質量依存のハロー密度分布が、観測された銀河回転曲線を説明できるかどうかを検証すること。
• ハロー応答モデルがコア・クス問題を解消するが、同時に宇宙論的スケーリング関係に反しないかを評価すること。
• 観測されたハロー特性と、アバンドアンスマッチングおよびΛCDMからの予測との間に生じる不一致を調査すること。
• 傾き、非対称駆動、星間質量対光度比の不確実性といった系誤差に対するモデルの頑健性を評価すること。
• 宇宙論的関係との一致不全が、バリアオンフィードバックのモデル化の不完全さか、あるいは非標準的ダークマター理論の必要性を示唆するかを特定すること。

提案手法

• 複数の観測所や調査から得られた、多様な性質を有する回転曲線のサンプルを文献から収集した。
• Di Cintioら（2014b）が提示した（星間の）質量依存ハロー密度分布を適用した。このモデルは、ハローの濃度と内部勾配を星間質量対ハロー質量比 $M_* / M_{\text{halo}}$ に結びつける。
• 回転曲線にハロー密度分布をフィットし、推定された $M_{\text{halo}}$ および濃度 $c_{\text{vir}}$ を宇宙論的期待値と比較した。
• 観測誤差と系誤差を考慮した、頑健な事前分布を用いたベイズ推論により、ハローのパラメータを制約した。
• 傾き補正、非対称駆動補正、データソース、星間質量対光度比の変動に対する感度を検証した。
• 結果がアバンドアンスマッチングおよび標準的なΛCDMスケーリング関係（$M_{\text{halo}}$ および $c_{\text{vir}}$ について）と整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体力学的シミュレーションから得られるバリオン誘発的ハロー応答モデルは、広範な星間質量範囲における観測された銀河回転曲線を説明できるか？
• RQ2 回転曲線フィットから推定されたハロー質量および濃度が、アバンドアンスマッチングによって予測される宇宙論的 $M_{\text{halo}}$ および $c_{\text{vir}}$ スケーリング関係と整合するか？
• RQ3 ハロー特性と宇宙論的期待との間に生じる矛盾が、傾き、非対称駆動補正、星間質量対光度比の不確実性といった系誤差に対して頑健であるか？
• RQ4 宇宙論的関係を再現できないという事実が、シミュレーションにおけるバリアオンフィードバック効果の誤った記述を示唆するのか、それとも非標準的ダークマター理論の導入が必要であるか？
• RQ5 観測されたコア半径および内部勾配が、特に低 $M_*$ 時に予測される $X$-依存性のハロー密度分布と整合的か？

主な発見

• Di Cintio ら（2014b）が提示した星間質量依存ハロー密度分布は、広範な星間質量範囲（特に浅い内部勾配を示すものも含む）の観測回転曲線をうまく説明できた。
• 全サンプルにおいて、ハロー濃度 $c_{\text{vir}}$ とハロー質量 $M_{\text{halo}}$ の間に顕著な相関が見られず、これはΛCDM予測の $c_{\text{vir}} \propto M_{\text{halo}}^{-0.1}$ と矛盾する。
• $c_{\text{vir}}-M_{\text{halo}}$ 関係に、ΛCDMで想定されるよりも顕著な散乱が存在し、標準的な宇宙論的スケーリング関係の破綻を示唆している。
• 星間質量 $M_* \lesssim 10^9\,M_\odot$ の銀河は、アバンドアンスマッチングによって予測されるよりも著しく質量の小さいハローに宿っていることが示され、低質量領域での不一致を示している。
• 異なる統計的事前分布を用いても、この矛盾は維持され、傾き補正、非対称駆動補正、データソース、星間質量対光度比の不確実性といった系誤差に対しても頑健である。
• これらの結果は、現在の流体力学的シミュレーションにおけるハロー応答が不完全であるか、あるいは温かく自己相互作用する、あるいはスカラー場ダークマターといった追加の物理法則が必要である可能性を示唆している。