[論文レビュー] The cold dark matter content of Galactic dwarf spheroidals: no cores, no failures, no problem

Azadeh Fattahi, Julio F. Navarro+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 43

ひとこと要約

この論文は、APOSTLEプロジェクトの流体力学的シミュレーションが、核部にコアを持つダークマター分布を仮定しなくても、9つの明るい銀河の近くのdSphの観測されたダークマター含量を再現することを示し、ΛCDMにおける「大きすぎるが失敗できない」問題を解決する。潮汐的剥がしは、カネス・ヴェナトリスI、セクサントス、カリーナ、フォルナックスのような明るさが低いdSphのダークマターを顕著に減少させ、修正された観測誤差がΛCDM予測との顕著な不一致を解消する。

ABSTRACT

We examine the dark matter content of satellite galaxies in Lambda-CDM cosmological hydrodynamical simulations of the Local Group from the APOSTLE project. We find excellent agreement between simulation results and estimates for the 9 brightest Galactic dwarf spheroidals (dSphs) derived from their stellar velocity dispersions and half-light radii. Tidal stripping plays an important role by gradually removing dark matter from the outside in, affecting in particular fainter satellites and systems of larger-than-average size for their luminosity. Our models suggest that tides have significantly reduced the dark matter content of Can Ven I, Sextans, Carina, and Fornax, a prediction that may be tested by comparing them with field galaxies of matching luminosity and size. Uncertainties in observational estimates of the dark matter content of individual dwarfs have been underestimated in the past, at times substantially. We use our improved estimates to revisit the `too-big-to-fail' problem highlighted in earlier N-body work. We reinforce and extend our previous conclusion that the APOSTLE simulations show no sign of this problem. The resolution does not require `cores' in the dark mass profiles, but, rather, relies on revising assumptions and uncertainties in the interpretation of observational data and accounting for `baryon effects' in the theoretical modelling.

研究の動機と目的

• ΛCDMにおける「大きすぎるが失敗できない」問題を解消するために、銀河の近くのdSphのダークマター含量を流体力学的シミュレーションを用いて再評価すること。
• 特に明るさが低く、平均より大きなサイズの系において、潮汐的剥がしがdSphのダークマター含量をどのように減少させるかを評価すること。
• 速度分散および半光半径測定における観測誤差を再評価し、それらが過去に過小評価されていたことを示すこと。
• ΛCDMにおける観測されたと予測されたホール質量の顕著な不一致が、根本的なモデルの失敗ではなく、誤った仮定やデータ解釈の誤りに起因するかどうかを検証すること。
• バリオン効果と潮汐的剥がしの両方が、コアを持つダークマター分布を仮定しなくても、シミュレーションと観測を一致させられることを示すこと。

提案手法

• ΛCDM下でのローカル団内のdSphの形成と進化をモデル化するために、APOSTLEプロジェクトの宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いた。
• κ（リラクゼーション時間と円運動軌道時間の比から導出される次元なしの時間スケールパラメータ）を用いて、粒子ごとの収束補正をダークマター密度プロファイルに適用した。
• κ < 0.6 の領域（内側ホール領域）における解像度バイアスを補正するためのフィッティング関数 log(1 - ρ/ρ_conv) = -0.04(log κ)^2 - 0.5(log κ) - 1.05 を用いた。
• 導出された密度補正係数を用いて、観測された星の速度分散および半光半径を補正し、M1/2 および V1/2 の推定値を改善した。
• 9つの明るいミルキーウェイの衛星について、dSphのシミュレートされた質量プロファイルおよび運動学と観測データを比較した。
• 解像度および観測誤差を補正した後、シミュレーションから予測されたバリアル質量と観測推定値を比較することで、「大きすぎるが失敗できない」問題を再評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛCDMの流体力学的シミュレーションは、9つの明るい銀河の近くのdSphの観測されたダークマター含量を再現するか？
• RQ2 潮汐的剥がしとバリオンフィードバックは、特に明るさが低く、平均より大きな系において、どれほどdSphのダークマター含量を減少させるか？
• RQ3 過小評価された観測誤差は、「大きすぎるが失敗できない」問題における観測されたと予測されたホール質量の顕著な不一致にどのように影響するか？
• RQ4 内側ホールにコアを持つダークマター分布を仮定しなくても、「大きすぎるが失敗できない」問題は解決可能か？
• RQ5 解像度バイアスは、シミュレートされたdSphの推定ダークマター密度にどのような影響を及ぼし、どのように補正可能か？

主な発見

• 解像度および観測誤差を補正した後、APOSTLEシミュレーションは、9つの明るい銀河の近くのdSphについて、予測されたダークマター含量と観測値の間で良好な一致を示す。
• 潮汐的剥がしは、カネス・ヴェナトリスI、セクサントス、カリーナ、フォルナックスのような明るさが低いdSphのダークマター含量を顕著に減少させ、それらの推定質量の低さを説明する。
• 「大きすぎるが失敗できない」問題は、ダークマター分布を変更（例：コアの導入）することなく、過小評価された観測誤差およびシミュレーションにおける解像度バイアスの補正によって解決される。
• κパラメータから導出された密度補正係数は、スカルプターのような一般的なdSphにおいて、内側ホール密度推定値を最大20％まで低減させ、質量推定値の正確性を向上させる。
• κに基づく補正法により、従来の収束半径（r_conv）よりも小さい半径へのホール密度プロファイルの外挿しが可能になり、内側領域の質量推定値が改善される。
• 本研究は、観測されたdSphの性質を説明するために、ΛCDMに根本的な欠陥は必要ない、と結論づける。バリオン物理学と潮汐的効果だけでも、誤差を適切に取り入れれば、シミュレーションと観測を一致させられる。