[論文レビュー] Dark matter deficient galaxies in the Illustris flat-$Λ$CDM model structure formation simulation

Hai Yu, Bharat Ratra+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Illustris flat-ΛCDM 宇宙論的シミュレーションを用いて、M_dm/M_star < 1 であるダークマター欠乏銀河——つまり、ダークマター質量が星の質量より小さい銀河——の形成および出現頻度を調査した。その結果、特に質量が大きく、コンパクトな系であるサブハロー 476171（M_star ≈ 9×10^10 M_sun、M_dm/M_star ≈ 0.1）のような銀河が、このシミュレーションで一般的に見られることを明らかにした。これは、実宇宙においても同様の銀河が存在すべきであり、ΛCDM モデルおよびダークマター物理学の重要な検証に役立つ可能性を示唆している。

ABSTRACT

Surveying dark matter deficient galaxies (those with dark matter mass to stellar mass ratio $M_{ m dm}/M_{ m star}&lt;1$) in the Illustris simulation of structure formation in the flat-$Λ$CDM cosmogony, we find $M_{ m star} \approx 2 imes 10^8\, M_\sun$ galaxies that have properties similar to those ascribed by \citet{vanDokkumetal2018a} to the ultra-diffuse galaxy NGC1052-DF2. The Illustris simulation also contains more luminous dark matter deficient galaxies. Illustris galaxy subhalo 476171 is a particularly interesting outlier, a massive and very compact galaxy with $M_{ m star} \approx 9 imes 10^{10}\, M_\sun$ and $M_{ m dm}/M_{ m star} \approx 0.1$ and a half-stellar-mass radius of $\approx 2$ kpc. If the Illustris simulation and the $Λ$CDM model are accurate, there are a significant number of dark matter deficient galaxies, including massive luminous compact ones. It will be interesting to observationally discover these galaxies, and to also more clearly understand how they formed, as they are likely to provide new insight into and constraints on models of structure formation and the nature of dark matter.

研究の動機と目的

• Illustris ΛCDM シミュレーション内におけるダークマター欠乏銀河の頻度と性質を特定すること。
• NGC1052-DF2 と同様に、M_dm/M_star が低いと報告された銀河——特に中程度の星の質量を持つもの——が、標準的な ΛCDM 框組み内で自然に形成可能かどうかを評価すること。
• 特に質量が大きく、コンパクトなタイプの極端なダークマター欠乏銀河の形成メカニズムを調査すること。
• 星の質量と光度に基づいて、こうした銀河の観測的検出可能性を評価すること。
• これらの銀河が、構造形成およびダークマターモデルに関する新たな制約をもたらす可能性があるかどうかを検討すること。

提案手法

• 平坦-ΛCDM 宇宙論における大規模な流体力学的構造形成シミュレーションである Illustris シミュレーションを分析する。
• M_dm/M_star < 1 を満たすサブハローを特定し、ダークマター欠乏銀河と分類する。
• 特にサブハロー 476171 の進化歴を、時間軸にわたるスナップショットの粒子データを用いて追跡する。
• 星の質量とダークマター質量、半質量半径、運動学的性質を測定し、銀河の構造と力学的性質を特徴づける。
• NGC1052-DF2 やその他の超拡散銀河からの観測的制約と、シミュレートされた銀河統計を比較する。
• 統計的分析を用いて、M_star ≈ 2×10^8 M_sun または M_star ≈ 10^9 M_sun の銀河のうち、どれくらいの割合がダークマター欠乏であるかを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Illustris ΛCDM シミュレーション内では、M_dm/M_star < 1 であるダークマター欠乏銀河はどれほど一般的か？
• RQ2 M_dm/M_star が低く、星の質量が中程度の NGC1052-DF2 と類似した性質を持つ銀河は、ΛCDM フレームワーク内で自然に形成可能か？
• RQ3 M_dm/M_star が極めて小さい質量が大きく、コンパクトな銀河——特にサブハロー 476171 に代表されるような銀河——の形成に寄与する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 ΛCDM モデルにおいて、M_star ≈ 2×10^8 M_sun または M_star ≈ 10^9 M_sun の銀河のうち、どれくらいの割合がダークマター欠乏であると予想されるか？
• RQ5 これらのダークマター欠乏銀河は観測的に検出可能か？また、ダークマター物理学の探査に役立つ可能性はあるか？

主な発見

• Illustris シミュレーションでは、M_star ≈ 2×10^8 M_sun で M_dm/M_star < 1 を満たすダークマター欠乏銀河が多数生成され、NGC1052-DF2 と類似した性質を持つ。
• より明るく、質量の大きなダークマター欠乏銀河もシミュレーションに存在し、特に M_star ≈ 9×10^10 M_sun で M_dm/M_star ≈ 0.1 を示すサブハロー 476171 が含まれる。
• サブハロー 476171 は、半星質量半径が ≈2 kpc と非常にコンパクトで、構造的外れな存在であることが示された。
• サブハロー 476171 の形成は、母ハローから密着した星団が放出されたことに起因し、その結果、大部分のダークマターが失われたが、星の構造は保たれたと考えられる。
• シミュレーションの予測では、M_star ≈ 2×10^8 M_sun の銀河のうち 0.7% 以上、M_star ≈ 10^9 M_sun の銀河のうち 0.4% 以上が、ΛCDM モデルにおいて M_dm/M_star < 1 を満たすと予想される。
• rバンドの等級が ≈-21 であるため、サブハロー 476171 は深紫外・可視光サーベイで検出可能であり、観測的探索の優先対象である。