[論文レビュー] Constraining Dark Matter models with extremely distant galaxies

M. Castellano, N. Menci+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ハッブル・フレンティア・フィールドから観測された超微弱で高赤方偏移の銀河の数密度を用いて、代替のダークマター（DM）モデルを制約する。銀河がそのホストであるダークマター・ハローの数を上回ることはできないという保守的な条件のもとで、予測されたハローの数密度の最大値と観測された銀河数密度を比較することで、温かく、くずれたダークマター（WDM）およびふわっとしたダークマター（FDM）の、バリオン物理学に依存しないきつい制約を導出する。特に、10⁻²¹ eV未満の質量のふわっとしたDMは強く否定され、keVスケールの熱的および遮へいニュートリノDM候補の制約も厳しくなる。

ABSTRACT

The investigation of distant galaxy formation and evolution is a powerful tool to constrain dark matter scenarios, supporting and in some cases surpassing other astrophysical and experimental probes. The recent completion of the Hubble Frontier Fields (HFF) programme combining ultra-deep Hubble Space Telescope observations and the magnification power of gravitational lensing produced by foreground galaxy clusters has enabled the detection of the faintest primordial galaxies ever studied. Here we show how the number density of such primordial galaxies allows to constrain a variety of DM models alternative to CDM. In particular, it provides stringent limits on the mass of thermal WDM candidates, on the parameter space of sterile neutrino production models, and on other DM scenarios featuring particles in the keV mass range which is also supported by recent detections of a 3.5keV X-ray line. These constraints are robust and independent of the baryonic physics modeling of galaxy formation and evolution. Fuzzy DM (ultralight DM particles) results strongly disfavored.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河の数密度を用いて、代替のダークマター・モデルに対するきつい、バリオン物理学に依存しない制約を提供すること。
• z ≈ 6における明るくない、レンズ効果を受ける銀河の観測された豊度が、非コールド・ダークマター（CDM）のシナリオを除外または制限できるかどうかを検証すること。
• 最近のHFF観測を踏まえて、keVスケールの熱的WDM、遮へいニュートリノ、および超軽量のふわっとしたDMの妥当性を評価すること。
• ハッブル・フレンティア・フィールドが微弱で高赤方偏移の源に極めて感度が高いことに着目し、既存の天体物理学的制約を改善すること。

提案手法

• ハッブル・フレンティア・フィールド（HFF）調査を用いて、z ≈ 6におけるM_UV = -12.5まで到達する超微弱でレンズ効果を受ける銀河のUV絶対等級関数（LF）を測定する。
• 観測された銀河数密度（φ_obs）が、予測されたダークマター・ハローの最大数密度（φ̄）を超えることはないという条件を適用し、DMモデルを制約する。
• 自由拡散によるスペクトルの抑制を考慮した、拡張されたプレス＝シェューテル形式を用いて、さまざまなDMモデルのハロー質量関数（dφ/dlogM）を計算する。
• WDMに対しては、自由拡散が小スケール構造を抑制することを仮定し、φ̄(m_X)とφ_obsを比較することで、熱的リlicの質量m_Xに基づく制約を導出する。
• 遮へいニュートリノに対しては、共鳴生成（RP）および崩壊生成（SD）の両方のメカニズムを評価し、φ̄ ≥ φ_obsの条件から混合角とユカワ結合を制約する。
• ふわっとしたDMに対しては、粒子質量（m_ψ）を変化させた累積的ハロー質量関数を計算し、観測された銀河密度からm_ψの下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河の数密度を用いて、熱的温かくダークマター（WDM）粒子の質量にどのような制約を課すことができるか？
• RQ2 keVスケールの質量を持つ遮へいニュートリノ生成モデルは、ハッブル・フレンティア・フィールドでの観測銀河数にどのように制約を受けるか？
• RQ3 質量が約10⁻²² eVの超軽量のふわっとしたダークマター（FDM）は、観測された明るくない高赤方偏移銀河の豊度によってどの程度否定されるか？
• RQ4 これらの制約は、ライマン-αフォレストデータやX線ライン検出から得られる制約と比較してどうなるか？HFF法の利点は何か？
• RQ5 HFFデータにおけるレンズ効果の増幅および源の赤方偏移推定の不確実性に対して、これらの制約はどの程度頑健か？

主な発見

• 観測された銀河数密度に基づき、熱的WDM粒子の質量は90%信頼区間でm_X ≥ 2.9 keV、95%信頼区間でm_X ≥ 2.4 keVに制限される。
• 3.5 keV X線ラインを説明できる7.1 keVの遮へいニュートリノに対しては、共鳴生成の混合角が90%信頼区間で-11.4 ≤ log(sin²(2θ)) ≤ -10.2に制限される。
• 崩壊生成（SDモデル）による遮へいニュートリノ生成のためのユカワ結合yは、95%信頼区間でy ≥ 9×10⁻⁹に制限される。
• 粒子質量m_ψ < 10⁻²¹ eVのふわっとしたダークマター（FDM）は強く否定され、99%信頼区間でm_ψ ≥ 10⁻²¹ eVの下限が得られる。
• これらの制約はバリオン物理学のモデル化に依存せず、きつい制約であり、流体力学的シミュレーションやX線観測とは補完的である。
• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）によるより深い画像およびM_UV ≈ -11にまで到達する大規模なサンプルの利用により、今後これらの制約が著しく厳しくなると予想される。