[論文レビュー] On the correlation between dark matter, intracluster light and globular cluster distribution in SMACS0723

J. M. Diego, M. Pascale+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、JWSTデータを用いてSMACS0723の自由形式重力レンズモデルを提示し、暗黒物質、クェィンス・クラスターライト（ICL）、および球状星団分布の相関を調査する。結果として、ICLと球状星団は類似した急勾配の半径方向プロファイルを示すが、全体の質量（主に暗黒物質によって支配される）は著しく緩やかであり、対数スケールで1デシベルの差異を示す。これは、コールド・ダーク・マター（CDM）シミュレーションと整合的であり、BCGの影響を越えて可視物質と暗黒物質成分が分離していることを示唆する。

ABSTRACT

We present a free-form model of SMACS0723, the first cluster observed with JWST. This model makes no strong assumptions about the distribution of mass (mostly dark matter) in the cluster and we use it to study the possible correlation between dark matter with the intracluster light and distribution of globular clusters. To explore the uncertainty in mass modelling, we derive three lens models based on spectroscopically confirmed systems and new candidate systems with redshifts predicted by the lens model derived from the spectroscopic systems. We find that beyond the radius of influence of the BCG, the total mass does not trace the ICL, implying the need for a dark component (dark matter). Two loop-like structures observed in the intracluster light do not have an obvious correspondence with the total mass (mostly dark matter) distribution. The radial profiles of the ICL and the distribution of globular clusters are similar to each other, but steeper than the profile of the lens model. More specifically, we find that the total mass is shallower by 1 dex in log scale than both ICL and globular cluster profiles. This is in excellent agreement with N-body simulations of cold dark matter.

研究の動機と目的

• JWSTデータを用いて、SMACS0723における暗黒物質、クェィンス・クラスターライト（ICL）、および球状星団分布の空間的相関を調査すること。
• 観測されたICL構造（例えば、ループ状の特徴や空洞）が、全体質量分布（主に暗黒物質）と一致するかどうかを検証すること。
• ICLおよび球状星団の観測された半径方向プロファイルが、コールド・ダーク・マター（CDM）シミュレーションの予測と整合的であるかどうかを評価すること。
• プロファイルの乖離が、ICLおよび球状星団の起源に与える意味を検討すること。特に、それらが剥がされた銀河コアから起因するかどうかを検討すること。
• JWSTデータからの分光的赤方偏移と新たなレンズ銀河候補を統合することで、レンズモデリングの解像度を向上させること。

提案手法

• 強力な質量分布に関する仮定を一切用いずに、JWSTおよびHSTデータの複数のレンズ制約を用いて、SMACS0723の自由形式レンズモデルを構築する。
• 3つの異なるレンズモデルを導出：1つは分光的に確認されたシステムから、残り2つは新たな候補システムの予測赤方偏移から得られる。
• 3つのモデル間で、半径方向の質量、ICL、球状星団の数密度プロファイルを抽出し、その一貫性を評価する。
• プロファイルをべき乗則でフィットし、勾配の違いを定量的に評価する。例：ICLおよび球状星団はR⁻¹.³、全体質量はR⁻⁰.³。
• 西側の空洞領域では4〜5個のレンズ銀河の制約が含まれるが、この領域のデータ密度は依然として低い。
• シミュレーションと理論的比較を用いて、潮汐剥がしとCDMハロー形成の文脈でプロファイルの違いを解釈する。

Figure 1: Central $\approx 1$ arcminute region of SMACS0723 with systems of lensed galaxies. Systems in white have spectroscopic redshifts and are the ones used to build the driver model or Model-1. Systems in yellow do not have spectroscopic redshifts but are used in combination with the spectrosco

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BCGの半径的影響域を超えて、全体質量分布（主に暗黒物質によって支配される）は、クェィンス・クラスターライト（ICL）を追跡するか？
• RQ2 ループ状のICL構造および関連する空洞は、全体質量分布と空間的に相関しているか？
• RQ3 SMACS0723におけるICLおよび球状星団の半径方向プロファイルは、全体質量プロファイルとどのように比較されるか？
• RQ4 観測されたICLおよび球状星団のプロファイルの急勾配は、コールド・ダーク・マター（CDM）シミュレーションの予測と整合的か？
• RQ5 ICLおよび球状星団の分布は、衛星銀河の潮汐剥がしによって説明可能か。特に、球状星図は生存した銀河コアを表していると考えられるか？

主な発見

• BCGの影響域を超えて、全体質量プロファイルはICLおよび球状星団プロファイルよりも著しく緩やかであり、対数スケールで1デシベルの差異を示す。
• ICLおよび球状星団の半径方向プロファイルは形状が類似しており、両者とも全体質量プロファイルよりも急勾配を示し、おおよそR⁻¹.³のスケーリングを示す。一方、質量プロファイルはR⁻⁰.³のスケーリングを示す。
• ループ状のICL構造および関連する空洞は、全体質量（暗黒物質）分布と明確な一致を示さないため、異なる形成機構を示唆する。
• 観測されたプロファイルの乖離は、コールド・ダーク・マターのN体シミュレーションと非常に良好に一致しており、CDMパラダイムを支持する。
• ICLと球状星団プロファイルの類似性は、物理的関連性を示唆する可能性があり、ICLが剥がされた銀河コアの外層部分から構成されており、球状星図が生存したコアである可能性を示唆する。
• 西側の空洞領域におけるレンズ制約の数が少ない（約4個）ため、解像度が制限されており、将来的なデータでより多くの分光的赤方偏移を得ることで質量モデリングを精緻化する必要がある。

Figure 2: Redshifts predicted by the driver model for the case of well constrained systems.