[論文レビュー] Do micro brown dwarf detections explain the galactic dark matter?

Theo M. Nieuwenhuizen, Rudolph E. Schild+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 72被引用数 4

ひとこと要約

論文は、銀河の暗黒物質が重力的流体力学的過程により形成された、何兆もの地球質量のマイクロブルー・ドワーフ（μBD）から成るとして提唱している。このモデルは、集団的な運動および熱的性質に基づき、重力レンズ効果、電波バースト、冷たいダストの巻き雲、およびリーマン＝アルファフォレスト吸収を説明する。このバリオン系モデルは、新粒子を必要とせず、観測された電波イベントの発生率と角度構造と定量的に一致する。

ABSTRACT

Context: The baryonic dark matter dominating the structures of galaxies is widely considered as mysterious, but hints for it have been in fact detected in several astronomical observations at optical, infrared, and radio wavelengths. We call attention to the nature of galaxy merging, the observed rapid microlensing of a quasar, the detection of "cometary knots" in planetary nebulae, and the Lyman-alpha clouds as optical phenomena revealing the compact objects. Radio observations of "extreme scattering events" and "parabolic arcs" and microwave observations of "cold dust cirrus" clouds are observed at 15 - 20 K temperatures are till now not considered in a unifying picture. Aims: The theory of gravitational hydrodynamics predicts galactic dark matter arises from Jeans clusters that are made up of almost a trillion micro brown dwarfs (mBDs) of earth weight. It is intended to explain the aforementioned anomalous observations and to make predictions within this framework. Methods: We employ analytical isothermal modeling to estimate various effects. Results: Estimates of their total number show that they comprise enough mass to constitute the missing baryonic matter. Mysterious radio events are explained by mBD pair merging in the Galaxy. The "dust" temperature of cold galaxy halos arises from a thermostat setting due to a slow release of latent heat at the 14 K gas to solid transition at the mBD surface. The proportionality of the central black hole mass of a galaxy and its number of globular clusters is explained. The visibility of an early galaxy at redshift 8.6 is obvious with most hydrogen locked up in mBDs. Conclusions: Numerical simulations of various steps would further test the approach. It looks promising to redo MACHO searches against the Magellanic clouds.

研究の動機と目的

• 銀河内のバリオン系暗黒物質の性質を、重力的流体力学的過程により形成された何兆もの地球質量のマイクロブルー・ドワーフ（μBD）として説明すること。
• 重力レンズ効果、電波イベント、冷たいダストの巻き雲、リーマン＝アルファフォレストといった、多様な天文的観測を、一貫したμBDベースの枠組みで統合すること。
• ジーンスクラスタ（JCs）内のμBDが欠落したバリオン質量を説明し、平坦な回転曲線およびタリィ＝ファーバー／ジャクソン関係を説明する仮説を検証すること。
• 銀河のハロー内でのμBD二重星合体によって生じる、極端なスキャッタリングイベントおよび放物線的アーキの観測発生率を定量的に説明すること。
• μBD表面でのガスから固体への遷移に伴う顕熱の放出が、冷たいダストの巻き雲の14–20 Kの温度を制御するサーモスタット機構として機能することを説明すること。

提案手法

• ジーンスクラスタ（JCs）の解析的等温モデルを用いて、μBDの数密度、質量分布、および角度的広がりを推定する。
• ジーンス不安定性基準を適用し、z ≈ 5100における6×10⁵ M☉のクラスタから、約2×10¹¹個のμBDが形成されると予測する。
• JC体積内での細胞ベース統計的数え上げと、有効半径 R_bd = v_bd × t_ev を用いて、μBD二重星合体に起因する電波イベント発生率を推定する。
• 合体によるマイクロ波および電波放射をモデル化し、10 GHzで1日間に約10⁵ J/kgのエネルギー放出を仮定し、1 Jyの信号を生成するとする。
• クェーサーの視線に沿ったJC内に存在するμBD数を推定することで、リーマン＝アルファフォレスト吸収を計算する。この際、角度距離とJCサイズを用いる。
• JCの角度直径と表面輝度を、θ = 2R_jc / d₂ および dJ/dΩ ≈ J / Ω を用いて導出し、観測された2 MJy/srの強度と一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クェーサーの観測された重力レンズ効果は、ジーンスクラスタ内に存在する何兆もの地球質量のマイクロブルー・ドワーフによる重力レンズ効果によって説明可能か？
• RQ2 電波観測で観測された極端なスキャッタリングイベントおよび放物線的アーキの発生率と特徴は、銀河のハロー内でのμBD二重星合体に起因するか？
• RQ3 冷たいダストの巻き雲の14–20 Kの温度は、ガスから固体への遷移に伴う表面での顕熱放出によるサーモスタット機構によって説明可能か？
• RQ4 広がりのある電波構造の観測された数密度および角度分布は、μBDのジーンスクラスタからの放射と整合的か？
• RQ5 クェーサーの視線に沿ったジーンスクラスタ内に存在するμBDの累積吸収によって、リーマン＝アルファフォレストの吸収線が定量的に説明可能か？

主な発見

• 銀河内に存在するμBDの総数は、1つのジーンスクラスタあたり約2×10¹¹個と推定され、欠落したバリオン質量を説明するのに十分であり、全質量は臨界密度の約4.5%に一致する。
• 観測された電波イベント発生率（約1000 deg⁻² yr⁻¹）は、μBD合体発生率の推定値（約7400 deg⁻² yr⁻¹）によって定量的に再現され、ヘッブル時間の間で約6×10¹⁷回の合体が発生すると推定される。
• 典型的なJCの角度直径は約0.57°であり、銀河平面における大規模電波構造の観測スケールと一致する。
• JCの表面輝度は約11.7 MJy/srに達し、DIRBE調査で観測された2 MJy/srのピーク強度と整合的である。
• 15°×12°の領域に観測可能なJC構造の数は、約67 v₂₀₀² / v₃₀²と推定され、電波マップで観測されたクラスタ数と一致する。
• クェーサーの視線に沿った1つのJCあたりのリーマン＝アルファフォレスト吸収は約890個のμBDと推定され、塊状のバリオン物質に起因する観測された狭帯域吸収線と整合的である。