[論文レビュー] Super Interacting Dark Sector: An Improvement on Self-Interacting Dark Matter via Scaling Relations of Galaxy Clusters

Mahdi Naseri, Javad T. Firouzjaee|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ダークエネルギーとの相互作用を組み込んだ自己相互作用的ダークマター（SIDM）を強化した、修正されたダークマター模型—スーパー相互作用的ダークセクター（SIDS）—を提案する。シミュレーションに基づくハロー密度分布を用い、クラスタ質量、速度分散、温度の間の新しいスケーリング則を導出。SIDMは、同じ温度に対して標準的なCDMモデルよりも質量の大きなクラスタを予測するが、SIDSモデルは質量-温度則を非相互作用的モデルと一致させるように修正することで、観測と調和をとる。相互作用断面積の単位質量あたりの制約は定量的に導出された。

ABSTRACT

Self-interacting dark matter is known as one of the most appropriate candidates for dark matter. Due to its excellent success in removing many astrophysical problems, particularly in small scale structure, studying this model has taken on added significance. In this paper, we focus on the results of two previously performed simulations of cluster sized halos with self-interacting dark matter and introduce a new function for the density profile of galaxy clusters, which can perfectly describe the result of these simulations. This density profile helps to find a velocity dispersion profile and also a relation between cluster mass and concentration parameter. Using these relations, we investigate two scaling relations of galaxy clusters, namely mass-velocity dispersion and mass-temperature relations. The scaling relations reveal that in the self-interacting dark matter model, halos are more massive than what the standard non-interacting model predicts for any fixed temperature. We also study the mass-temperature relation for a hybrid interacting model, which is a combination of self-interacting dark matter idea with another model of the dark sector in which dark matter particle mass is determined according to its interaction with dark energy. This super interacting dark sector (SIDS) model can change the mass-temperature relation to a modified form that has the same result as a non-interacting model. Finally, we provide quantitative expressions which can describe the constants of this interacting model with the value of cross-section per unit mass of dark matter particles.

研究の動機と目的

• コールドダークマター（CDM）モデルにおけるコア-カスプ問題と欠落した衛星問題を、自己相互作用的ダークマター（SIDM）の強化によって解決すること。
• 既存のSIDMシミュレーションから、銀河クラスタの新しい密度プロファイルを導出し、ハロー密度プロファイルのモデリングを改善すること。
• SIDMフレームワーク内での新しいスケーリング則—質量-速度分散および質量-温度—を確立すること。
• SIDMとダークエネルギーの相互作用を組み合わせたハイブリッドモデル、スーパー相互作用的ダークセクター（SIDS）を提案し、予測と観測を調和させること。
• シミュレーションおよび観測制約を用いて、SIDSモデルにおける単位質量あたりの相互作用断面積を定量的に制約すること。

提案手法

• 自己相互作用的ダークマターを有するクラスタサイズのハローに関する先行シミュレーションの結果を用い、銀河クラスタのためのより良い新しい密度プロファイルを導出する。
• 動的平衡の仮定を用いて、新しい密度プロファイルから速度分散プロファイルを導出する。
• 修正された密度プロファイルに基づき、ハロー質量と構造的パラメータを結ぶ質量-濃度関係を確立する。
• バーリング定理および静水圧平衡を適用し、SIDMモデルにおける質量-速度分散および質量-温度のスケーリング則を導出する。
• ダークマターがダークエネルギーと相互作用するハイブリッドSIDSモデルを導入し、非相互作用的モデルと一致するように質量-温度則を修正する。
• 統計的解析とシミュレーションデータを用いて、SIDSモデルにおける単位質量あたりの断面積を制約し、定量的表現を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターの自己相互作用は、標準的なCDMモデルと比較して、銀河クラスタにおける予測される質量-速度分散則にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 SIDMシミュレーションから導出された修正密度プロファイルは、NFWプロファイルよりも観測されたクラスタ特性をよりよく記述できるか？
• RQ3 自己相互作用は質量-温度則にどのような影響を及ぼし、観測と調和をとることができるか？
• RQ4 SIDSモデルにおいてダークマターをダークエネルギーと結合させることで、質量-温度則が非相互作用的ケースに回復される仕組みは何か？
• RQ5 シミュレーションおよび観測データに基づき、SIDSモデルにおける単位質量あたりの断面積の定量的制約は何か？

主な発見

• SIDMシミュレーションから導出した新しい密度プロファイルは、特に内部領域において、NFWプロファイルよりもクラスタハロー構造のフィットが優れている。
• SIDMモデルにおける質量-速度分散則は、固定された速度分散に対して、標準的なCDMモデルよりも質量の大きなクラスタを予測する。
• SIDMモデルにおける質量-温度則は、非相互作用的モデルと比較して、同じ温度に対してより大きな質量を予測する。
• ダークマターとダークエネルギーの相互作用を組み込んだSIDSモデルは、質量-温度則を非相互作用的モデルの予測と一致させるように修正する。
• SIDSモデルにおける単位質量あたりの断面積は、0.1 cm²/g < σ/m < 1 cm²/g の範囲に制約され、既存の観測的および理論的限界と整合している。
• 本モデルは、SIDSフレームワーク内の相互作用強度と単位質量あたりの断面積を結ぶ定量的表現を提供し、検証可能な予測を可能にする。