[論文レビュー] Milky Way Satellite Census. IV. Constraints on Decaying Dark Matter from Observations of Milky Way Satellite Galaxies

S. Mau, Ethan O. Nadler+68 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 117被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、銀河系の衛星銀河集団を用いて崩壊する暗黒物質（DDM）を制約し、DDMの崩壊が娘粒子に「キック速度」をもたらし、低質量の準惑星団を枯渇させることをモデル化する。高解像度のシミュレーションと観測バイアスを考慮したフォワードモデリング手法を用い、DDMの寿命が18ギガ年未塔（20 km s⁻¹のキック速度の場合）または29ギガ年未塔（40 km s⁻¹のキック速度の場合）であるモデルは95%信頼水準で除外され、小スケール構造からのDDMの制約のなかで最も厳しいものとなる。

ABSTRACT

We use a recent census of the Milky Way (MW) satellite galaxy population to constrain the lifetime of particle dark matter (DM). We consider two-body decaying dark matter (DDM) in which a heavy DM particle decays with lifetime τ comparable to the age of the universe to a lighter DM particle (with mass splitting ϵ) and to a dark radiation species. These decays impart a characteristic "kick velocity,"V kick = ϵ c, on the DM daughter particles, significantly depleting the DM content of low-mass subhalos and making them more susceptible to tidal disruption. We fit the suppression of the present-day DDM subhalo mass function (SHMF) as a function of τ and V kick using a suite of high-resolution zoom-in simulations of MW-mass halos, and we validate this model on new DDM simulations of systems specifically chosen to resemble the MW. We implement our DDM SHMF predictions in a forward model that incorporates inhomogeneities in the spatial distribution and detectability of MW satellites and uncertainties in the mapping between galaxies and DM halos, the properties of the MW system, and the disruption of subhalos by the MW disk using an empirical model for the galaxy-halo connection. By comparing to the observed MW satellite population, we conservatively exclude DDM models with τ < 18 Gyr (29 Gyr) for V kick = 20 kms-1 (40 kms-1) at 95% confidence. These constraints are among the most stringent and robust small-scale structure limits on the DM particle lifetime and strongly disfavor DDM models that have been proposed to alleviate the Hubble and S 8 tensions.

研究の動機と目的

• 崩壊する暗黒物質（DDM）が、ハッブル定数とS8の両方の宇宙論的矛盾を説明できるかどうかを検証すること。
• DDMの崩壊が、銀河系の衛星の準惑星団質量関数（SHMF）に与える影響を評価すること。
• 観測された衛星の数と空間的分布を用いて、DDM粒子の寿命とキック速度を制約すること。
• 観測不完全性、銀河-ハロー関係の不確実性、およびディスクに起因する潮汐破壊を考慮した堅牢なフォワードモデリングフレームワークを開発すること。

提案手法

• 銀河系質量のハローにおける高解像度ズームインシミュレーションを用いて、DDM崩壊の影響を寿命τとキック速度Vkickの関数として、準惑星団質量関数（SHMF）の抑制をモデル化する。
• 銀河系に類似した系の新しいDDMシミュレーションと照合して、シミュレートされたSHMF抑制の妥当性を検証する。
• 不均一な衛星検出可能性、銀河-ハロー関係の不確実性、および経験的ディスク破壊モデルを含むフォワードモデリングフレームワークにDDMのSHMF予測を実装する。
• ベイズ推論を用いて、モデル化された衛星集団と観測された銀河系衛星系を比較し、DDMパラメータを制約する。
• emceeを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングにより、パラメータ空間を探索し、95%信頼区間を計算する。
• ダークエネルギー調査（DES）の観測データ（空間的分布、明るさの限界、完全性補正）を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された銀河系衛星集団と整合する範囲で、崩壊する暗黒物質粒子が許容できる最大寿命は何か？
• RQ2 娘の暗黒物質粒子に与えられるキック速度は、低質量準惑星団の生存にどのように影響するか？
• RQ3 観測バイアスと銀河-ハロー関係の不確実性は、DDMの制約にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 ハッブル定数とS8の矛盾を解消するために提案されたDDMモデルは、小スケール構造の観測によって除外可能か？
• RQ5 銀河系衛星からの制約は、大スケール構造や膨張歴史の観測と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• 20 km s⁻¹のキック速度の場合、95%信頼水準で寿命τ < 18 GyrのDDMモデルは除外される。
• 40 km s⁻¹の高いキック速度の場合、制約はさらに厳しくなり、95%信頼水準でτ < 29 Gyrとなる。
• これらの制約は、小スケール構造からの崩壊する暗黒物質粒子の寿命に関する、これまでで最も厳しいものである。
• 結果は、ハッブル定数とS8の矛盾を緩和するために提案されたDDMモデルを強く否定しており、それらは通常、除外範囲以下の寿命を要するためである。
• フォワードモデリング手法は、観測不完全性、銀河-ハロー関係の不確実性、および潮汐破壊をうまく考慮できており、制約の信頼性を高めている。
• 本研究の結果は、銀河系衛星の数が、大スケール構造や膨張歴史の観測と併せて、DDM物理学を探索する強力で補完的なプローブであることを示している。