[論文レビュー] Dark matter haloes in the multicomponent model. III. From dwarfs to galaxy clusters

Keita Todoroki, Mikhail V. Medvedev|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 133被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、速度に依存する反発散乱と速度キックを伴う非弾性質量変換を特徴とする二成分のダークマター（2cDM）モデルを、小スケール宇宙論的問題を解決するために検証する。矮星系および銀河団の高解像度N体シミュレーションを用い、σ₀/m ≲ 0.1 cm²/g の断面積が観測と整合的であるのに対し、σ₀/m ≳ 0.1 cm²/g は不適切であることが判明。これは、CDMを超える自己相互作用的ダークマターモデルの有効な領域を支持する。

ABSTRACT

A possibility of DM being multicomponent has a strong implication on resolving decades-long known cosmological problems on small scale. In addition to elastic scattering, the model allows for inelastic interactions, which can be characterized by a 'velocity kick' parameter. The simplest 2cDM model with cross section $0.01\lesssim\sigma/m<1 extrm{ cm}^{2}{ m g}^{-1}$ and the kick velocity $V_{k}\simeq 100 extrm{ km s}^{-1}$ has been shown to robustly resolve the missing satellites, core-cusp, and too-big-to-fail problems in $N$-body cosmological simulations tested on MW-like haloes of a virial mass $\sim5 imes 10^{11}$ M$_{\odot}$ (Paper I $\&$ II). With the aim of further constraining the parameter space available for the 2cDM model, we extend our analysis to dwarf and galaxy cluster haloes with their virial mass of $\sim 10^7 - 10^8$ and $\sim 10^{13} - 10^{14}$ M$_{\odot}$, respectively. We find $\sigma_{0} / m \gtrsim 0.1 extrm{ cm}^{2}{ m g}^{-1}$ is preferentially disfavored for both dwarfs and galaxy cluster haloes in comparison with observations, while $\sigma_{0} / m = 0.001 extrm{ cm}^{2}{ m g}^{-1}$ causes little perceptible difference from that of the CDM counterpart for most of the cross section's velocity dependence studied in this work. Our main result is that within the reasonable set of parameters the 2cDM model can successfully explain the observational trends seen in dwarf galaxy and galaxy cluster haloes and the model leaves us an open window for other possible alternative DM models.

研究の動機と目的

• 矮星系から銀河団にまで広がる質量スケールにおいて、二成分のダークマター（2cDM）モデルの妥当性を検証すること。
• 特に断面積σ₀/mおよび速度依存パラメータ（as, ac）を含む、2cDMモデルのパラメータ空間を制約すること。
• 非弾性質量変換と速度キックが、コア-カスプ問題や欠落した衛星問題といった小スケール問題を解決できるかどうかを評価すること。
• バリオン物理学の影響が2cDMハロー構造に与える影響と、観測データとの整合性を評価すること。

提案手法

• virial質量が ∼10⁷ から ∼10¹⁴ M⊙ の範囲の矮星系および銀河団ハローについて、高解像度のN体宇宙論的シミュレーションを実施。
• 弾性散乱と非弾性質量変換を有する多成分ダークマターモデルを採用し、σ₀/mおよび速度依存性（as, ac）でパラメータ化。
• 速度依存断面積σ(v) ∝ v^as と、非弾性相互作用をモデル化するための速度キックパラメータ Vk ≃ 100 km s⁻¹ を使用。
• シミュレーテッドハロー密度プロファイル（gNFWおよびNFW）を観測データと比較し、内側勾配および濃縮度パラメータに注目。
• r < 300 pcおよびr < Rvirの領域における質量損失割合を分析し、非弾性プロセスの影響を定量化。
• σ₀/m = 0.01, 0.1, 1 cm²/g の各条件下で対称および非対称（as, ac）パラメータセットをテストし、後者は不現実的であると除外。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非弾性質量変換を伴う2cDMモデルは、矮星系および銀河団におけるコア-カスプ問題を解決できるか？
• RQ2 矮星系および銀河団の両方において、観測されたハロー密度プロファイルと整合的であるσ₀/mの範囲は何か？
• RQ3 非弾性質量変換を組み込むことで、低質量および高質量ハローにおける質量損失および構造的進化にどのような影響が生じるか？
• RQ4 AGNフィードバックを含むバリオン効果は、2cDMの予測と観測データの整合性をどの程度損なうか？
• RQ5 どのパラメータセット（as, ac）が、複数の質量スケールにわたって観測的に妥当なハロー密度プロファイルを生成するか？

主な発見

• σ₀/m ≳ 0.1 cm²/g の断面積は、矮星系および銀河団ハローの両方において一般的に不適切であり、観測と整合しないプロファイルを生成するため。
• σ₀/m = 0.001 cm²/g では、すべての速度依存性においてCDMプロファイルからの著しいずれんが生じず、小スケール問題を解決するのに不十分な自己散乱を示す。
• 内側密度勾配の顕著な平坦化、つまり検出可能なコア形成を生じさせるには、最小でも 0.001 ≲ σ₀/m ≲ 0.01 cm²/g の断面積が必要である。
• σ₀/m = 0.01 cm²/g の場合、2cDMモデルはCDMに比べてわずかにカスプが緩和されたプロファイルを生成し、合理的なコアサイズ（≲30 kpc）を示す。
• (as, ac) = (0,0) のモデルでは、σ₀/m = 0.01 の場合 r < 300 pc 内で最大で約10%のダークマター質量損失が発生し、σ₀/m = 0.1 では約30%、σ₀/m = 1 cm²/g では約90%に達する。これは、内部領域での顕著な質量損失を示している。
• 対称モデル（−2,−2）、（−1,−1）、（0,0）が最も良好に機能し、σ₀/m ≲ 0.1 cm²/g が観測および理論的期待と最も整合的である。