[論文レビュー] On the nature of the missing mass of galaxy clusters in MOND: the view from gravitational lensing

Benoît Famaey, Lorenzo Pizzuti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、CLASH調査から得られた強力および弱い重力レンズ効果のデータを用い、修正ニュートン動力学（MOND）フレームワーク内で銀河団内の残余の欠落質量を分析する。均一な内部密度コアと、約10の欠落質量対熱ガス密度比、および約400 kpcの指数的カットオフ半径が得られ、これは『ダーク質量はガスに従う』プロファイルを示しており、銀河団内での相対論的MOND理論や代替的ダークマター仮説を制限する可能性がある。

ABSTRACT

Modified Newtonian Dynamics (MOND) has long been known to fail in galaxy clusters, implying a residual missing mass problem for clusters in this context. Here, using mass profiles derived from strong- and weak-lensing shear, as well as magnification data, for a sample of clusters from the CLASH survey, we characterize the density profile of this residual MOND missing mass in the central Mpc of galaxy clusters. In line with results obtained in the literature from the hydrostatic equilibrium of hot gas, we find that an inner constant density core and an outer power-law slope sharper than $-3.5$ provides a good description within $\sim 1$~Mpc. We also show that the data in the central parts of clusters can be even better represented by a `dark mass-follows-gas' profile with an exponential cut-off. Clusters in the sample display a remarkable uniformity for the missing-to-hot-gas density ratio in the inner parts, of order $\sim$10, as well as for the exponential cut-off radius, of order $\sim 400$~kpc. These lensing results can in principle serve as a crucible for relativistic theories of MOND in galaxy clusters, or for any other tentative hypothesis regarding the nature of the clusters residual missing mass in the MOND context.

研究の動機と目的

• 標準MONDが観測された力学を説明できない中で、銀河団内の残余欠落質量の性質を調査すること。
• CLASH調査の強力および弱いレンズ効果のせん断および拡大率データを用いて、この欠落質量の空間的分布を特徴化すること。
• 欠落質量プロファイルが『ダークマスはガスに従う』モデルと一致するか、または相対論的MOND拡張と一致するかを検証すること。
• レンズ効果から得られた質量プロファイルと動力学的質量推定値を比較し、動力学的質量再構築におけるシステム的バイアスを評価すること。

提案手法

• CLASH調査の17個の銀河団から得られた強力および弱い重力レンズ効果のせん断および拡大率データを用い、全質量プロファイルを再構築する。
• パラメトリックモデル（定常密度コアとべき乗法的勾配、指数的カットオフ）を用いて、中心1 Mpcにおけるレンズ効果由来の質量プロファイルに適合させる。
• レンズ効果由来の欠落質量（δM(r)）とバリオン成分（BCG、熱ガス、メンバー銀河）を比較し、残余の欠落質量を分離する。
• 指数的カットオフを伴う『ダークマスはガスに従う』プロファイルモデルを用い、欠落質量とバリオンガス分布との相関を検証する。
• モデル依存性を低減するために、複数の質量および非等方性プロファイル仮定（gNFW、Einasto、Burkert、Hernquist）を統計的に平均化する。
• VLTおよびMUSE分光法による独立した動力学的質量推定値と比較し、MG-MAMPOSStコードを用いて速度非等方性および位相空間分布をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MONDフレームワーク内で重力レンズ効果によって制約された場合、銀河団内の残余欠落質量の空間的分布はどのようになるか？
• RQ2 銀河団内の欠落質量プロファイルは、『ダークマスはガスに従う』モデルが予測するように、熱銀河団内ガスの分布に従うか？
• RQ3 レンズ効果から得られた質量プロファイルと動力学的質量推定値の比較は、システム的不確実性にどのような含意をもたらすか？
• RQ4 欠落質量プロファイルは、全銀河団に共通のコア半径および密度比を示しており、共通の物理的起源を示唆するか？
• RQ5 レンズ効果データは、銀河団環境における相対論的MOND拡張または代替的ダークマターモデルを制限できるか？

主な発見

• 銀河団の中心1 Mpcにおける残余欠落質量は、−3.5より急な外側のべき乗法的勾配を持つ定常密度コアによって最もよく記述され、CLASH調査のレンズ効果データと整合的である。
• 『ダークマスはガスに従う』プロファイルに指数的カットオフを組み込んだモデルは、銀河団コア部におけるレンズ効果データに対して、より良好な適合を示す。
• 内側領域における欠落質量対熱ガス密度比は、サンプル全体で顕著に均一で、約10の値を示す。
• 欠落質量プロファイルの指数的カットオフ半径は、全銀河団サンプルで一貫して約400 kpcであり、普遍的な空間スケールを示している。
• VLTおよびMUSEデータからの動力学的質量推定値は、特に中心領域でレンズ効果結果と顕著な乖離を示しており、システム的不確実性または考慮されていない背景構造によるものと推測される。
• レンズ効果から得られた欠落質量プロファイルは、バリオン質量分布とは独立して振る舞うが、特徴的な空間スケールと密度比を持つ普遍的な非バリオン的成分と整合的である。