[論文レビュー] Solitons in the dark: non-linear structure formation with fuzzy dark matter

Mattia Mina, David F. Mota+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、スカラー場で記述される質量 $m_{\rm B} = 2.5 \times 10^{-22}$ eV のふわふわした暗黒物質（FDM）を用いた宇宙論的シミュレーションを、SCALARコードで実施した。FDMはシュレーディンガー＝ポアソン方程式に従う。FDMは小スケール構造を抑制するソリトン的コアを形成し、ホール密度プロファイルを浅くし、回転曲線に中心部の速度ピークをもたらすが、コア-ホール質量関係は $M_{\rm core}/M_{\rm halo} \propto \Xi^{1/3}$ に従う。一方、コア半径に伴う表面密度スケーリングは、低表面輝度銀河の観測と矛盾する。

ABSTRACT

We present the results of a full cosmological simulation with the new code SCALAR, where dark matter is in form of fuzzy dark matter, described by a light scalar field with a mass of $m_{ m B} = 2.5 imes 10^{-22}$ eV and evolving according to the Schrödinger-Poisson system of equations. In comoving units, the simulation volume is $2.5 ~ h^{-1} { m Mpc}$ on a side, with a resolution of $20~h^{-1}{ m pc}$ at the finest refinement level. We analyse the formation and the evolution of central solitonic cores, which are found to leave their imprints on dark matter density profiles, resulting in shallower central densities, and on rotation curves, producing an additional circular velocity peak at small radii from the center. We find that the suppression of structures due to the quantum nature of the scalar field results in an shallower halo mass function in the low-mass end compared to the case of a $Λ$CDM simulation, in which dark matter is expected to cluster at all mass scales even if evolved with the same initial conditions used for fuzzy dark matter. Furthermore, we verify the scaling relations characterising the solution to the Schrödinger-Poisson system, for both isolated and merging halos, and we find that they are preserved by merging processes. We characterise each fuzzy dark matter halo in terms of the dimensionless quantity $Ξ\propto \left | E_{ m halo} ight |/M_{ m halo}^3$ and we show that the core mass is tightly linked to the halo mass by the core-halo mass relation $M_{ m core}/M_{ m halo} \propto Ξ^{1/3}$. We also show that the core surface density of the simulated fuzzy dark matter halos does not follow the scaling with the core radius as observed for dwarf galaxies, representing a big challenge for the fuzzy dark matter model as the sole explanation of core formation.

研究の動機と目的

• ふわふわした暗黒物質（FDM）で支配される宇宙における非線形構造形成を調査すること。FDMは $m_{\rm B} = 2.5 \times 10^{-22}$ eV のスカラー場である。
• FDMが、$c$-密度プロファイルの過剰な部分や、小スケールでのサブホールの過剰な存在といった、$\Lambda$CDMモデルの小スケールの不一致を解消できるかどうかを検証すること。
• 宇宙論的文脈において、ホール合体の過程でソリトン的コア形成とスケーリング関係がどれほど頑健であるかを検討すること。
• 特にコア表面密度と半径について、FDMホールのシミュレートされた性質を、低表面輝度銀河の観測と比較すること。

提案手法

• シミュレーションは、スカラー場による暗黒物質成分のシュレーディンガー＝ポアソン系を解くSCALARコードを用いて実施された。
• シミュレーションボリュームは一辺 $2.5\, h^{-1}{\rm Mpc}$ で、最高解像度は $20\, h^{-1}{\rm pc}$ であり、適応メッシュ細分化（AMR）が用いられた。
• メッシュ細分化の基準は固定密度閾値に基づいているが、今後は赤方偏移に依存するジェーン長基準への改善が予定されている。
• ホールの性質は、次元なし不変量 $\Xi \propto |E_{\rm halo}| / M_{\rm halo}^3$ を用いて分析され、コア質量とホール質量を結びつける。
• ソリトン的コアの観測的動力学への影響を評価するため、回転曲線と密度プロファイルが計算された。
• 孤立および合体中のホールにおける、コア質量・半径・ホール質量のスケーリング関係がテストされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ふわふわした暗黒物質は、宇宙論的ホールに安定したソリトン的コアを形成するか？ また、それらは暗黒物質密度プロファイルと回転曲線にどのように影響を与えるか？
• RQ2 FDMシミュレーションにおけるコア-ホール質量関係は理論的期待と一致するか？ また、主要な合体の過程でその関係は保持されるか？
• RQ3 FDMシミュレーションによるホールは、低表面輝度銀河における観測されたコア表面密度とコア半径のスケーリングをどれほど再現できるか？
• RQ4 FDMモデルは、$\Lambda$CDMモデルのサブホール問題を十分に緩和するほど、小スケール構造を抑制するか？
• RQ5 コア表面密度スケーリングの矛盾を考慮すると、FDMモデルは単独で観測されたコア密度プロファイルを説明できるか？

主な発見

• ふわふわした暗黒物質ホールは、中心部にソリトン的コアを形成し、小スケールで顕著な円運動速度のピークを生じさせ、$\Lambda$CDMの急峻な密度プロファイルとは明確に異なる。
• コア-ホール質量関係は $M_{\rm core}/M_{\rm halo} \propto \Xi^{1/3}$ に従い、先行研究と一致する $1/3$ のスケーリング指数が確認された。
• $z \sim 4$ から $z \sim 3$ の間に二つの巨大ホールが合体したが、コア質量-半径関係およびコア-ホール質量スケーリング関係が両方保持された。
• FDMシミュレーションでは、コア半径とホール質量の間に負の相関が見られ、これは低表面輝度銀河における観測された $R_{\rm core} \propto M_{\rm halo}^{1/2}$ の傾向と矛盾する。
• FDMホールのコア表面密度は、観測された $\Sigma_{\rm DM} \propto R_{\rm core}^{-1}$ スケーリングに従わず、FDMモデルが観測されたコアを唯一説明できるという仮定に疑問を呈する。
• 現在の固定密度閾値に基づく細分化戦略では、後期に形成され低質量のホールを十分に解像できない可能性があり、今後の改善として赤方偏移に依存するジェーン長基準への移行が求められる。