[論文レビュー] Dissipative dark matter explains rotation curves

R. Foot|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、質量のないダーク光子を介した相互作用を有する散逸的ダークマター—すなわち、ダークマター粒子がダーク光子を介して相互作用するモデル—が、通常の光子との運動的混合を通じて超新星からの加熱とダークブレムストラールーの冷却をバランスさせることで、銀河の回転曲線を説明できることを提案している。このモデルは核を持つダークマター密度プロファイルを予測し、矮星銀河におけるガス分布と相関する微妙なウネリを含む観測された回転曲線をうまく再現する。

ABSTRACT

Dissipative dark matter, where dark matter particles interact with a massless (or very light) boson, is studied. Such dark matter can arise in simple hidden sector gauge models, including those featuring an unbroken $U(1)'$ gauge symmetry, leading to a dark photon. Previous work has shown that such models can not only explain the LSS and CMB, but potentially also dark matter phenomena on small scales, such as the inferred cored structure of dark matter halos. In this picture, dark matter halos of disk galaxies not only cool via dissipative interactions but are also heated via ordinary supernovae (facilitated by an assumed photon - dark photon kinetic mixing interaction). This interaction between the dark matter halo and ordinary baryons, a very special feature of these types of models, plays a critical role in governing the physical properties of the dark matter halo. Here, we further study the implications of this type of dissipative dark matter for disk galaxies. Building on earlier work, we develop a simple formalism which aims to describe the effects of dissipative dark matter in a fairly model independent way. This formalism is then applied to generic disk galaxies. We also consider specific examples, including NGC 1560 and a sample of dwarf galaxies from the LITTLE THINGS survey. We find that dissipative dark matter, as developed here, does a fairly good job accounting for the rotation curves of the galaxies considered. Not only does dissipative dark matter explain the linear rise of the rotational velocity of dwarf galaxies at small radii, but it can also explain the observed wiggles in rotation curves which are known to be correlated with corresponding features in the disk gas distribution.

研究の動機と目的

• コールドダークマターのシミュレーションで予測されるスパイク状のダークマター密度プロファイルと、銀河の回転曲線から推定される核を持つプロファイルとの間に生じる不一致を説明すること。
• 質量のないダーク光子を介した自己相互作用を有する散逸的ダークマターが、円盤銀河における自然な核を持つホールを生成できるかどうかを調査すること。
• 通常の光子との運動的混合を通じて、超新星が生成するダーク光子による加熱が、ホールの冷却をバランスさせ、定常状態の観測可能な回転曲線をもたらすかどうかをテストすること。
• 一般的な円盤銀河に適用可能な、モデルに依存しない散逸的ダークマター力学の形式的枠組みを構築すること。
• 特定の銀河、特にNGC 1560とLITTLE THINGS調査の矮星銀河の観測された回転曲線と比較して、モデルの予測を検証すること。

提案手法

• 冷却をダークブレムストラールーに起因するものとし、ダークマターの数密度の二乗に比例するように、ダークマターホールを流体とみなしてオイラー方程式に従わせる。
• 通常の超新星がダーク光子を生成し、エネルギーをホールに供給する運動的混合を通じて加熱を含める。
• 冷却と加熱の率がバランスする定常状態の条件を導出し、単純な関係式 n(r) ∝ F_γD(r)σ_DP / Λ を得る。
• 超新星分布にフレイマン・ディスクプロファイルを仮定し、星形成をケニクット＝シュナイダー型のべき乗則を用いてモデル化する。
• 導出されたダークマター密度プロファイルを用いて回転曲線を計算し、NGC 1560およびLITTLE THINGSの矮星銀河からの観測データと比較する。
• 空間的に変化するガスおよび星の分布を組み込み、回転曲線のウネリがバリオン性ディスクの特徴と相関するかどうかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量のないダーク光子を介した自己相互作用を有する散逸的ダークマターモデルは、円盤銀河における観測された核を持つダークマター密度プロファイルを再現できるか？
• RQ2 通常の光子とダーク光子の運動的混合を通じた超新星駆動の加熱が、ホールの冷却をバランスさせ、ホールを安定化させるのに十分で物理的に妥当なエネルギー源を提供できるか？
• RQ3 このモデルは、矮星銀河における小半径領域での回転速度の線形的上昇を説明できるか？
• RQ4 予測された回転曲線は、バリオン性ガス分布の特徴と相関する微妙なウネリを再現できるか？
• RQ5 加熱と冷却のバランスに基づくモデルに依存しない形式的枠組みは、自由パrameterを最小限に抑えつつ、多様な銀河における回転曲線を予測するのに十分か？

主な発見

• 本モデルは、NGC 1560とLITTLE THINGS調査の複数の矮星銀河の観測された回転曲線を、全体的な形状と核を持つプロファイルを含めてうまく再現した。
• 予測された回転曲線は、低表面輝度の矮星銀河の観測と一致する小半径領域での線形的上昇を示した。
• 回転曲線の微妙なウネリは、バリオン性ガス分布の対応する特徴と相関しており、超新星による局所的加熱に起因する物理的起源を示唆している。
• 定常状態の仮定—すなわち、ダークブレムストラールーによる冷却とダーク光子フラックスによる加熱のバランス—により、ダークマター密度と局所的エネルギーフラックスの間の単純な関係が導かれた。
• 星形成則の仮定にかかわらず、ケニクット＝シュナイダー指数Nを1.0から3.0まで変化させても、モデルの予測は安定した。
• このフレームワークは、運動的混合や断面積といったモデル依存性を1つの有効パrameterに要約できることを示しており、多様な銀河にわたる予測力を持つことを示した。