[論文レビュー] Offsets between member galaxies and dark matter in clusters: a test with the Illustris simulation

Karen Ng, Annalisa Pillepich+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Illustris $λ$CDM シミュレーションを用いて、衝突する銀河団における観測された銀河-ダークマターのずれが、$λ$CDM 物理のみから生じるかどうかを検証した。その結果、銀河ピーク推定における統計的ノイズと系統的バイアス（特にBCGおよび光度 KDE によるもの）が、最大 160 kpc のずれを生じさせることを示し、大きなずれを自己相互作用的ダークマターの証拠と解釈することは疑わしいことが示された。

ABSTRACT

Dark matter with a non-zero self-interacting cross section ($σ_{ m SIDM}$) has been posited as a solution to a number of outstanding astrophysical mysteries. Many studies of merging galaxy clusters have given constraints on $σ_{ m SIDM}$ based on the spatial offset between the member galaxy population and the dark matter distribution. Assuming $σ_{ m SIDM} = 0$, how likely is it for us to see the galaxy-DM offset values observed in merging clusters of galaxies? To answer this question, we formulate a hypothesis test using data from Illustris, a $Λ$CDM cosmological simulation. We select 43 Illustris clusters and their galaxy members at z~0 and examine the accuracy of commonly used galaxy summary statistics, including kernel-density-estimation (KDE) luminosity peak, KDE number density peak, shrinking aperture, centroid and the location of the brightest cluster galaxy (BCG). We use the dark-matter particles to reproduce commonly adopted methods to identify dark-matter peaks based on gravitational lensing cluster maps. By analysing each cluster in 768 projections, we determine the optimistic noise floor in the measurements of the galaxy-DM offsets. We find that the choice of the galaxy summary statistics affects the inferred offset values substantially, with the BCG and the luminosity peak giving the tightest 68-th percentile offset levels, $\lesssim$ 4 kpc and $\lesssim$ 32 kpc, respectively. Shrinking aperture, number density and centroid give a large offset scatter of about 50-100 kpc at the 68-th percentile level, even for clusters with only one dominant mass component. Out of the 15 reported offsets from observed merging clusters that we examined, 13 of them are consistent with Illustris unrelaxed cluster offsets at the 2-sigma (95-th percentile) level, i.e. consistent with the hypothesis that $Λ$CDM is the true underlying physical model.

研究の動機と目的

• 衝突する銀河団における観測された銀河-ダークマターずれが、自己相互作用的ダークマター（SIDM）を仮定せずに $λ$CDM で説明可能かどうかを評価すること。
• $λ$CDM における銀河ピーク推定手法（例：BCG、KDE、重心）の系統的不確実性を定量化すること。
• 銀河-DM ずれを測定する際に一般的に用いられる銀河の要約統計量の信頼性を評価すること。
• 理想化された観測条件下における $λ$CDM における銀河-DM ずれ測定のノイズフロアを特定すること。
• 15 個の衝突する銀河団からの観測ずれと、$λ$CDM のシミュレートされたずれ分布を比較し、$λ$CDM との整合性を検証すること。

提案手法

• $z \sim 0$ の 43 個の Illustris クラスタを選択し、観測的選択を模倣してメンバー銀河を特定した。
• バーリア係数 $\nu$ を用いてクラスタの緩和度を評価し、緩和系（$\nu < 1.2$）と緩和度が低い系（$1.2 < \nu < 2.2$）を区別した。
• 複数の銀河要約統計量を適用：BCG、光度のカーネル密度推定（KDE）、数密度、縮小アパーチャ、重心。
• 標準的手法を用いて弱レントゲン像の再構成により、シミュレートされた弱レントゲン像からダークマターのピークを再構築し、DM の位置を推定した。
• 各クラスタを 768 方向に投影して視線方向効果を評価し、ずれ分布を測定した。
• 15 個の衝突するクラスタからの観測ずれと、シミュレートされた $λ$CDM ずれ分布を比較する仮説検定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝突する銀河団における観測された銀河-ダークマターずれは、自己相互作用的ダークマターを仮定せずに $λ$CDM で説明可能か？
• RQ2 異なる銀河ピーク推定手法は、$λ$CDM における測定された銀河-DM ずれにどのように影響を与えるか？
• RQ3 $λ$CDM における銀河-DM ずれ測定の固有のばらつきとノイズフロアは何か？
• RQ4 準位構造や投影効果は、特に BCG に対してずれ分布にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測された衝突するクラスタにおけるずれは、$λ$CDM の予測と統計的に整合的か？

主な発見

• BCG は、緩和度が低いクラスタ（$1.2 < \nu < 2.2$）において、ダークマターのピークからのずれが 68 百分位で $\lesssim 4$ kpc と最もきつい。
• 中心ピークがきついにもかかわらず、BCG は投影効果および準位構造のため、160 kpc を超えるずれを示す 5% の尾部を示している。
• KDE 光度ピークは、2 番目にきついずれを示し、68 百分位で $\lesssim 32$ kpc、99 百分位の尾部で $\lesssim 124$ kpc である。
• 縮小アパーチャ、数密度、重心といった手法は、単一の主要質量成分を持つクラスタでさえも、$\sim 50$–$100$ kpc の大きなばらつきを示し、68 百分位のずれを示している。
• 15 個の観測ずれのうち、13 個が 2 シグマ（95 百分位）水準で $λ$CDM ずれ分布と整合的である。
• $λ$CDM ずれの統計的不確実性は、最大の SIDM ずれシグナル（$\lesssim 50$ kpc）と同程度の大きさであり、ずれに基づく SIDM 制約の感度を制限している。