[論文レビュー] Limits on Stellar Objects as the Dark Matter of Our Halo: Nonbaryonic Dark Matter Seems to be Required

Katherine Freese, Brian D. Fields+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 1999

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、へぼい星、褐色矮星、白色矮星、中性子星などの恒星的対象が、の銀河のダークマター雲の説明にできないと主張している。観測的制約と理論的限界を用いて、こうしたバリオン的対象は銀河の質量の最大で数パーセントしか寄与しないことが示されており、白色矮星だけでも Ω_WD ≤ 3 × 10⁻³ h⁻¹ に制限されている。これは、雲の質量予算を説明するには非バリオン的ダークマターの存在が不可欠であることを強く示唆している。

ABSTRACT

The nature of the dark matter in the Halo of our Galaxy remains a mystery. Arguments are presented that the dark matter does not consist of ordinary stellar or substellar objects, i.e., the dark matter is not made of faint stars, brown dwarfs, white dwarfs, or neutron stars. In fact, faint stars and brown dwarfs constitute no more than a few percent of the mass of our Galaxy, and stellar remnants must satisfy $Ω_{WD} \leq 3 imes 10^{-3} h^{-1}$, where $h$ is the Hubble constant in units of 100 km/s Mpc^{-1}. On theoretical grounds one is then pushed to more exotic explanations. Indeed a nonbaryonic component in the Halo seems to be required.

研究の動機と目的

• 恒星的または亜恒星的対象が、の銀河の雲におけるダークマターを占め得るかどうかを評価すること。
• 褐色矮星、白色矮星、中性子星などのバリオン的対象が、雲の質量密度に寄与しうる最大の寄与を制限すること。
• 銀河の雲における明るさの弱い星や星の残渣の豊度について、観測的および理論的制約を評価すること。
• 観測されたダークマター密度が、バリオン的物質のみで説明可能かどうか、あるいは非バリオン的成分が必要かどうかを特定すること。

提案手法

• 微小レンズ効果調査データの分析により、銀河の雲における明るさの弱い星や褐色矮星の数密度を推定すること。
• 白色矮星の形成と冷却に関する理論的制約を適用し、その合計質量寄与を制限すること。
• ハッブル定数 h を用いて質量密度パラメータ Ω_WD を正規化し、白色矮星の質量分率に上限を設定すること。
• 観測された雲の質量対光度比とバリオン的星集団の予測値を比較し、明るさの弱い星による寄与が顕著でないことを示すこと。
• ビッグバン核合成（BBN）の制約を組み込み、宇宙における全バリオン的質量密度を制限すること。
• すべての制約を統合し、雲の質量予算におけるバリオン的寄与の上限を厳密に導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るさの弱い星や褐色矮星が、の銀河のダークマター雲質量の顕著な割合を占め得るか？
• RQ2 白色矮星が雲のダークマター予算に寄与しうる最大の質量寄与はどの程度か？
• RQ3 観測された微小レンズ効果調査と理論的モデルは、雲の欠落した質量をバリオン的説明で説明可能か？
• RQ4 ビッグバン核合成からの制約を考慮した場合、観測されたダークマター密度はバリオン的起源と整合的か？
• RQ5 すべてのバリオン的対象の制約を組み合わせた結果、非バリオン的ダークマター成分が必要になるか？

主な発見

• 明るさの弱い星や褐色矮星は、の全質量の最大で数パーセントしか寄与しない。
• 雲における白色矮星の質量密度は、Ω_WD ≤ 3 × 10⁻³ h⁻¹ に制限されており、ここで h は 100 km/s/Mpc 単位のハッブル定数である。
• すべてのバリオン的星の残渣（白色矮星、中性子星、褐色矮星など）の合計寄与は、観測されたダークマター密度を説明するには不十分である。
• 微小レンズ効果、BBN、および雲の質量対光度比からの理論的・観測的制約が、バリオン的対象が支配的ダークマター成分であることを共に排除する。
• 結果は、銀河の雲の質量予算を説明するには非バリオン的ダークマターが不可欠であると強く示唆している。