[論文レビュー] Luminous and Dark Matter Profiles from Galaxies to Clusters: Bridging the Gap with Group-scale Lenses

Andrew B. Newman, Richard S. Ellis+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、赤方偏移 z ≈ 0.36 の10個の団規模レンズを分析することで、銀河規模とクラスタ規模のレンジの間の観測的ギャップを埋め合わせた。平均ホール濃度 c₂₀₀ = 5.0 ± 0.8 が得られ、これはコールド・ダーク・マター（CDM）の予測と整合的である。また、全密度プロファイルの勾配は星形成密度とホール質量の両方に依存しており、バリオン効果によるダークマターへの影響が普遍的ではなく、ホール質量に応じて異なる星形成および集積歴のため、変動することが示唆された。

ABSTRACT

Observations of strong gravitational lensing, stellar kinematics, and larger-scale tracers enable accurate measures of the distribution of dark matter (DM) and baryons in massive early-type galaxies (ETGs). While such techniques have been applied to galaxy-scale and cluster-scale lenses, the paucity of intermediate-mass systems with high-quality data has precluded a uniform analysis of mass-dependent trends. With the aim of bridging this gap, we present new observations and analyses of 10 group-scale lenses at <z>=0.36 characterized by Einstein radii theta_Ein=2.5"-5.1" and a mean halo mass of M_200=10^14.0 Msol. We measure a mean concentration c_200=5.0+-0.8 consistent with unmodified cold dark matter halos. By combining our data with other lens samples, we analyze the mass structure of ETGs in 10^13 Msol-10^15 Msol halos using homogeneous techniques. We show that the slope of the total density profile gamma_tot within the effective radius depends on the stellar surface density, as demonstrated previously, but also on the halo mass. We analyze these trends using halo occupation models and resolved stellar kinematics with the goal of testing the universality of the DM profile. Whereas the central galaxies of clusters require a shallow inner DM density profile, group-scale lenses are consistent with a Navarro-Frenk-White profile or one that is slightly contracted. The largest uncertainties arise from the sample size and likely radial gradients in stellar populations. We conclude that the net effect of baryons on the DM distribution may not be universal, but more likely varies with halo mass due to underlying trends in star formation efficiency and assembly history.

研究の動機と目的

• 中間質量の団規模レンズを研究することで、銀河規模とクラスタ規模のレンジの間の観測的ギャップを埋めること。
• 一様な手法を用いて、10¹³–10¹⁵ M☉ のホールに存在する早期型銀河のダークマターおよびバリオン質量プロファイルを測定すること。
• バリオン過程が異なるホール質量でダークマター分布に与える影響を検証することで、ダークマタープロファイルの普遍性をテストすること。
• バリオンのネット効果がスケールを越えて一様であるか、それともホール質量および形成歴に応じて変化するかを調査すること。

提案手法

• 赤方偏移 ⟨z⟩ = 0.36 の10個の団規模強力レンズを分析し、エインシュタイン半径 θ_Ein = 2.′′5–5.′′1、平均 M₂₀₀ = 10¹⁴.⁰ M☉ を得た。
• 全質量およびダークマター分布のモデル化に、強力レンズ、星の運動学、外部制約（例：衛星の運動）を用いた。
• 測定誤差と固有分散を考慮して、M₂₀₀ と c₂₀₀ の親分布をモデル化するため、階層ベイズ推論を適用した。
• 本サンプルのデータを既存のレンズサンプルと統合し、ホール質量および星形成密度に応じた全密度勾配 γ_tot の傾向を分析した。
• ホール占有モデルと解像度の高い星の運動学を用いて、ダークマタープロファイルの普遍性をテストした。
• emcee コードによるMCMCサンプリングを用いて、M₂₀₀ と c₂₀₀ の親分布のハイパーパrameter（平均値および固有分散）を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 団規模レンズにおけるダークマター分布は、ナバロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）プロファイルに従うか、収縮または切断の兆候を示すか？
• RQ2 有効半径内での全密度勾配 γ_tot は、星形成密度とホール質量の両方にどのように依存するか？
• RQ3 バリオンがダークマター分布に与えるネット効果は、異なるホール質量で一様か？
• RQ4 観測された質量構造の傾向は、ホールごとの星形成効率および集積歴の違いを反映しているか？

主な発見

• 平均ホール濃度は c₂₀₀ = 5.0 ± 0.8 であり、変更のないコールド・ダーク・マター（CDM）ホールの予測と整合的である。
• 有効半径内での全密度勾配 γ_tot は、星形成密度とホール質量の両方に依存しており、バリオン効果の非普遍的影響を示唆している。
• 団規模レンズは、NFWプロファイルまたはわずかに収縮したプロファイルに一致しているが、クラスタ規模の中心銀河とは異なり、浅い内側勾配を必要としていない。
• 最大の不確実性は、サンプルサイズと星の組成の半径勾配に起因しており、レンズモデル化の系儀的誤差とは無関係である。
• 結果から、バリオンのフィードバックおよび動力学的プロセスが、ホール質量に依存する形でダークマター分布に影響を与え、普遍的ダークマタープロファイルの仮定を覆す可能性がある。
• 観測された傾向は、異なるホール質量スケールにおける星形成効率および集積歴の差異によって最もよく説明できる。