[論文レビュー] Halo concentration strengthens dark matter constraints in galaxy-galaxy strong lensing analyses

J.W Nightingale, Qiuhan He+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 67被引用数 40

ひとこと要約

本稿は、暖かい暗黒物質（WDM）モデルにおいて、ホール濃度が低質量の暗黒物質ホールの検出可能性を顕著に向上させることを示している。強引力レンズ効果における低質量ホールの検出可能性は、従来の予想よりも1桁以上も厳しく制約される。レンズ像をシミュレートし、質量-濃度関係を考慮することで、WDMモデルで一般的な高濃度ホールが、その存在頻度が低下しても、依然として強く検出可能なレンズ歪みを生じることを明らかにした。

ABSTRACT

A defining prediction of the cold dark matter cosmological model is the existence of a very large population of low-mass haloes. This population is absent in models in which the dark matter particle is warm (WDM). These alternatives can, in principle, be distinguished observationally because haloes along the line of sight can perturb galaxy–galaxy strong gravitational lenses. Furthermore, the WDM particle mass could be deduced because the cut-off in their halo mass function depends on the mass of the particle. We systematically explore the detectability of low-mass haloes in WDM models by simulating and fitting mock lensed images. Contrary to previous studies, we find that haloes are harder to detect when they are either behind or in front of the lens. Furthermore, we find that the perturbing effect of haloes increases with their concentration: Detectable haloes are systematically high-concentration haloes, and accounting for the scatter in the mass–concentration relation boosts the expected number of detections by as much as an order of magnitude. Haloes have lower concentration for lower particle masses and this further suppresses the number of detectable haloes beyond the reduction arising from the lower halo abundances alone. Taking these effects into account can make lensing constraints on the value of the mass function cut-off at least an order of magnitude more stringent than previously appreciated.

研究の動機と目的

• 強力重力レンズ効果を用いて、暖かい暗黒物質（WDM）モデルにおける低質量暗黒物質ホールの検出可能性を評価すること。
• ホール濃度がレンズ像における歪みの可視性に与える影響を調査すること。
• 質量-濃度散らばりが検出可能なホール数およびWDM制約に与える影響を定量化すること。
• レンズシミュレーションに現実的なホール構造的性質を組み込むことで、ホール検出率の予測を改善すること。
• 濃度効果を考慮することで、現在のハッブル宇宙望遠鏡（HST）レンズデータがWDM粒子質量に対してどの程度感度が高いかを再評価すること。

提案手法

• 現実的なレンズモデルと宇宙論的ホール集団を用いて、銀河-銀河強力レンズ系の模擬レンズ像を生成した。
• ベイズフレームワークを用いて感度関数を計算し、ホールの性質とレンズ系構成からその検出確率pを定義した。
• 質量-濃度関係とその散らばりをホール集団モデルに組み込み、WDM粒子質量が小さいほど濃度が低下することを反映した。
• 検出指標として対数尤度の増分（∆L）を用い、検出基準は四重像（quad）では∆L > 30、アーク（arcs）では∆L > 20とした。
• 濃度効果を含むモデルと、固定または平均濃度を仮定するモデルとの間で検出期待値を比較した。
• Poisson分布に従う検出回数を用いて、異なるカットオフ質量を有するWDMモデルとCDMとの間の尤度比Rを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホール濃度は、強力レンズ系における低質量暗黒物質ホールの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 質量-濃度関係の散らばりは、WDMモデルにおける検出可能なホール数をどの程度増幅させるか？
• RQ3 濃度効果を考慮した場合、固定または平均濃度を仮定するモデルと比較して、検出可能なホール数はどのように変化するか？
• RQ4 ホール濃度は、特に現在のデータの検出限界以下のWDM粒子質量に対する強力レンズ効果の感度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 濃度効果を適切に考慮した場合、現在のHSTデータが、従来の予想よりもより厳密なWDM制約を示せるか？

主な発見

• ホール濃度は検出可能性を顕著に向上させる：高濃度ホールはより顕著なレンズ歪みを生じさせ、結果として検出されやすくなる。
• 質量-濃度関係の散らばりを考慮すると、固定濃度を仮定するモデルと比較して、検出可能なホールの期待数が最大1桁向上する。
• WDMホールは、WDM粒子質量が小さいほど濃度が低くなるため、ホールの存在頻度低下に加え、さらに検出可能性が抑制される。
• 濃度効果を組み込むと、ホール質量関数のカットオフ（Mcut）に対するWDM制約は、従来の推定よりも少なくとも1桁以上厳しくなる。
• 現在のHSTデータでは、10^9.5 M⊙未満のホールは検出困難であるが、濃度効果を考慮することで、Mcut ≳ 10^8 M⊙までのWDMカットオフ質量に対する制約が可能となり、実効的に現在の感度限界より1桁低いWDMモデルを探索可能となる。
• 尤度比解析から、濃度効果を無視するモデルは、特にMcutが小さいWDMシナリオにおいて、レンズデータの制約力が著しく低く評価されていることが明らかになった。