[論文レビュー] Dark matter concentrations and a search for cores in Milky Way dwarf satellites

Joe Wolf, James S. Bullock|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、8個の銀河系矮小球状銀河（dSph）の平衡 Jeansモデルを用いて、その暗黒物質ハローがΛCDMの予測と一致するかを検証する。等方的分散を仮定した場合、大多数のdSphはΛCDMが予測するよりも集中度が低いハローを好むが、顕著な接線方向の非等方性（β ≈ -1.5）があると、急峻なプロファイルが妥当になる。特にスカルプチャーはコアを好むが、カイナ、ドラコ、レオIはコアを好む傾向を示し、普遍的なコアプロファイルの概念に挑戦する。

ABSTRACT

We investigate the mass distributions within eight classical Milky Way dwarf spheroidal galaxies (MW dSphs) using an equilibrium Jeans analysis and we compare our results to the mass distributions predicted for subhalos in dissipationless ΛCDM simulations. In order to match the dark matter density concentrations predicted, the stars in these galaxies must have a fairly significant tangential velocity dispersion anisotropy (β~-1.5). For the limiting case of an isotropic velocity dispersion (β=0), the classical MW dSphs predominantly prefer to live in halos that are less concentrated than ΛCDM predictions. We also investigate whether the dSphs prefer to live in halos with constant density cores in the limit of isotropic velocity dispersion. Interestingly, even in this limit, not all of the dSphs prefer large constant-density cores: the Sculptor dSph prefers a cusp while Carina, Draco and Leo I prefer cores. The other four dSphs do not show a statistically significant preference for either cuspy or cored profiles. Finally, we re-examine the hypothesis that the density profiles of these eight MW dSphs can be quantified by a common dark matter halo.

研究の動機と目的

• 古典的銀河系矮小球状銀河（dSph）の中心部における暗黒物質密度プロファイルが、ΛCDMの小ハロー予測と整合するかを検証すること。
• 特に等方的星の速度分散を仮定した場合に、dSphが一定密度コアを持つハローをどれほど好むかを調査すること。
• Jeansモデリングにおける星の密度プロファイルの形状と推定される暗黒物質プロファイル勾配とのデゲネラシーを評価すること。
• 同一の共通コアハローが、全8個のdSphの観測された質量および密度構造を同時に適合させられるかを同定すること。
• 速度分散非等方性が、観測されたdSphの運動学とΛCDMの期待値を一致させる役割を評価すること。

提案手法

• 8個の古典的MW dSphの視線方向速度分散および表面輝度プロファイルに対して、平衡 Jeans解析を実施する。
• 等方的 Jeans方程式（球対称、等方的）をベースラインとして用い、その後、非ゼロの速度分散非等方性（β）を持つモデルに拡張し、その影響を評価する。
• 星 tracer 密度のパラメトリックモデル（キングプロファイル）を適用することで、暗黒物質プロファイル形状とのデゲネラシーを低減する。
• 推定された暗黒物質密度プロファイルを、特にNFWおよびバーグァー（コア付き）プロファイルと比較する。
• ベイズ推論を用いて、星のプロファイルの不確実性を考慮した内側勾配γおよびハローの集中度の事後分布を計算する。
• 等方的を仮定したもとで、全dSphのアンサンブルに同一のバーグァー・プロファイルをフィットさせる可能性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等方的速度分散（β = 0）を仮定した場合、古典的銀河系dSphは、コア付きか急峻な内側密度プロファイルのどちらを好むか？
• RQ2 速度分散非等方性（β）が、dSphにおける推定されるハローの集中度および内側勾配にどのように影響するか？
• RQ3 一様なコア付き暗黒物質ハロー（例：バーグァー・プロファイル）が、全8個のdSphの観測された質量および密度構造を同時に適合させられるか？
• RQ4 内側星の密度プロファイルの不確実性が、推定される暗黒物質プロファイル勾配にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 非等方性を含めた場合に、観測されたdSphはΛCDMの小ハロー予測（集中度および内側構造）と整合的か？

主な発見

• 等方的分散（β = 0）を仮定した場合、古典的MW dSphの多くはΛCDMシミュレーションが予測するよりも集中度が低いハローを好む。
• 顕著な接線方向速度分散非等方性（β ≈ -1.5）があると、大多数のdSphは急峻なNFW型ハローと整合し、ΛCDMの期待と一致する。
• スカルプチャーは急峻なプロファイル（γ ≈ 1）を強く好むが、カイナ、ドラコ、レオIはコアを好む（γ ≈ 0）ため、普遍的なコア構造は存在しない。
• フォルナックスとセクサントスはやや急峻なコア（γ ≈ 0.7）を示すが、不確実性が大きく、プロファイルの好みは統計的に曖昧である。
• 等方性の仮定は、真にコアが存在しない場合でも、ハローの集中度を低くし、コアプロファイルを好む傾向を強いる。
• コア半径が小さい（≤ 200 pc）場合、一様なバーグァーハローは全dSphのr₁/₂における観測局所密度を同時に適合させられるが、測定された半径範囲ではW10のNFWフィットよりも急勾配である。