[論文レビュー] Observational constraints on the slope of the radial acceleration relation at low accelerations

Kyle A. Oman, Margot M. Brouwer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、観測加速度プロファイルが $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ より急である場合、基準となる RAR における物理的にありえないバリオン質量プロファイルが予測されることに着目し、低加速度領域における径方向加速度関係（RAR）をモデルに依存しない方法でテストする手法を提案する。弱いレンズ効果、矮星族球状銀河（dSph）の運動学、および外縁部の銀河系運動のデータを用いて、低加速度領域で RAR の勾配が急になっている弱い証拠が得られた。これは、MONDに類似した振る舞いからの逸脱の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The radial acceleration relation (RAR) locally relates the `observed' acceleration inferred from the dynamics of a system to the acceleration implied by its baryonic matter distribution. The relation as traced by galaxy rotation curves is one-to-one with remarkably little scatter, implying that the dynamics of a system can be predicted simply by measuring its density profile as traced by e.g. stellar light or gas emission lines. Extending the relation to accelerations below those usually probed by practically observable kinematic tracers is challenging, especially once accounting for faintly emitting baryons, such as the putative warm-hot intergalactic medium, becomes important. We show that in the low-acceleration regime, the (inverted) RAR predicts an unphysical, declining enclosed baryonic mass profile for systems with `observed' acceleration profiles steeper than $g_{ m obs}\propto r^{-1}$ (corresponding to density profiles steeper than isothermal - $ρ(r)\propto r^{-2}$). If the RAR is tantamount to a natural law, such acceleration profiles cannot exist. We apply this argument to test the compatibility of an extrapolation of the rotation curve-derived RAR to low accelerations with data from galaxy-galaxy weak lensing, dwarf spheroidal galaxy stellar kinematic, and outer Milky~Way dynamical measurements, fully independent of the uncertainties inherent in direct measurements of the baryonic matter distribution. In all cases we find that the data weakly favour a break to a steeper low-acceleration slope. Improvements in measurements and modelling of the outer Milky~Way, and weak lensing, seem like the most promising path toward stronger constraints on the low-acceleration behaviour of the RAR.

研究の動機と目的

• バリオン質量の測定に依存せずに、低加速度領域における径方向加速度関係（RAR）の振る舞いをテストすること。
• 基準となる RAR において、低下するバリオン質量プロファイルを示す物理的にありえない加速度プロファイルを同定すること。
• 弱いレンズ効果、dSph の星の運動学、および外縁部の銀河系運動の観測データが、基準となる $ g_{\text{obs}} \propto \sqrt{g_{\text{bar}}} $ より急な RAR 勾配を支持するかどうかを評価すること。
• 修正重力と暗黒物質モデルを区別する上で関係する、低加速度領域における RAR 勾配に対するモデルに依存しない制約を提供すること。
• 将来の弱いレンズ効果と外縁部銀河データが、低加速度領域における RAR に与える制約を強化する可能性を評価すること。

提案手法

• 観測加速度が $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ またはそれ以上急である場合、逆方向 RAR が物理的にありえない低下する累積バリオン質量プロファイルを予測する条件を導出する。
• この基準を銀河間弱レンズ効果、dSph の星の運動学、外縁部の銀河系運動の観測データに適用し、基準となる RAR との整合性をテストする。
• バリオン質量プロファイルに依存せずに、独立した動力学的測定から得られる観測加速度プロファイル $ g_{\text{obs}}(r) $ を使用する。
• 動的平衡と球対称性を仮定し、観測加速度と推定されたバリオン質量プロファイルを結びつける。
• RAR 勾配の折り返し（break）の尤度を、予測されたバリオン質量プロファイルと物理的制約を比較することで評価する。
• 先行研究（例：Read et al. 2019）の既存のデータセットとマルコフ連鎖を用いて、RAR 勾配に対する近似制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低加速度領域における径方向加速度関係（RAR）は、バリオン質量分布の測定に依存せずに制約できるか？
• RQ2 基準となる RAR において、観測された加速度プロファイルが $ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ より急である場合、物理的に実現可能か？
• RQ3 弱いレンズ効果、dSph の運動学、外縁部の銀河系データは、低加速度領域で RAR 勾配が急になる兆候を示しているか？
• RQ4 RAR の低加速度領域の振る舞いは、修正重力（例：MOND）モデルと一致するか、それとも暗黒物質モデルと一致するか？
• RQ5 外縁部の銀河系と銀河間弱レンズ効果は、低加速度領域における RAR 勾配に対するより強い制約を提供できるか？

主な発見

• 基準となる RAR では、$ g_{\text{obs}} \propto r^{-1} $ より急な観測加速度プロファイルに対して、物理的にありえない低下するバリオン質量プロファイルが予測される。これは、RAR が成り立つ限り、このようなプロファイルは存在できないことを示唆する。
• 外縁部の銀河系データは、やや急な RAR 勾配の可能性を示唆しているが、制約はまだ近似的で予備的である。
• 矮星族球状銀河（dSph）の運動学は、低加速度領域における RAR に強い制約を課す可能性に近づいているが、RAR の勾配が 1/2 である限り、MONDと整合しない。
• 銀河間弱レンズ効果は、将来の制約において極めて有望な手法であると特定され、その後続作業が準備中である。
• 明確な、モデルに依存しない RAR 勾配の折り返しの証拠は得られなかったが、複数のデータセットが約 68% の信頼水準で示唆的証拠を示している。
• 結果は、$ \Lambda\text{CDM} $ モデルでは低加速度領域における RAR が最終的に $ g_{\text{obs}} = g_{\text{bar}} / f_{\text{b}} $ に再び曲がる可能性があることを示唆している。一方、MOND は $ g_{\text{obs}} \propto \sqrt{g_{\text{bar}}} $ のスケーリングを継続すると予測する。