[論文レビュー] The Misalignments between Matter and Galaxy Distributions in Triaxial Clusters: A Signature of a Possible Fifth Force?

Jounghun Lee|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、三軸性を持つ銀河クラスタにおけるダークマターと銀河分布のずれを調査し、$Λ$CDM予測と矛盾する強い観測的証拠を発見した。ブートストラップリサンプリングと一般化された$\chi^2$統計を用いて、$Λ$CDM仮説は99%信頼水準で否定され、観測されたずれの原因としてダークエネルギーとダークマターの結合に起因する局所的第五力の可能性が示唆された。

ABSTRACT

The standard structure formation model based on a LCDM cosmology predicts that the galaxy clusters have triaxial shapes and that the cluster galaxies have a strong tendency to be located preferentially along the major axes of host cluster's dark matter distributions due to the gravitational tidal effect. The predicted correlations between dark matter and galaxy distributions in triaxial clusters are insensitive to the initial cosmological parameters and to the galaxy bias, and thus can provide a unique test-bed for the nonlinear structure formation of the LCDM cosmology. Recently, Oguri et al. determined robustly the dark matter distributions in the galaxy clusters using the two dimensional weak lensing shear fitting and showed that the orientations of the cluster galaxy distributions are only very weakly correlated with those of the underlying dark matter distributions determined robustly, which is in contrast to with the LCDM-based prediction. We reanalyze and compare quantitatively the observational result with the LCDM-based prediction from the Millennium Run simulation with the help of the bootstrap resampling and generalized chi^{2}-statistics. The hypothesis that the observational result is consistent with the LCDM-based prediction is ruled out at the 99% confidence level. A local fifth force induced by a non-minimal coupling between dark energy and dark matter might be responsible for the observed misalignments between dark matter and galaxy distributions in triaxial clusters.

研究の動機と目的

• 三軸性を持つクラスタにおける銀河分布とダークマター分布のずれが、$Λ$CDM予測と整合しているかどうかを検証すること。
• 乖離が半アナリティカル銀河形成モデルの限界に起因するのか、あるいは新しい物理学に起因するのかを調査すること。
• ダークエネルギーとダークマターの非最小結合に起因する局所的第五力が、観測されたずれを説明できる可能性を検討すること。
• クラスタスケールの構造を用いて、ダークセクター相互作用を新たな観測的テストとして提供すること。

提案手法

• 弱引力透視による剪断フィッティング（Oguri et al. 2010）を用いて、銀河クラスタ内のダークマター分布を堅牢に特定した。
• 赤方偏移範囲$0.1 < z < 0.3$の観測データから、銀河およびダークマター分布の投影された主要軸を抽出した。
• ブートストラップリサンプリングを用いて不確実性を推定し、観測されたずれ統計とミレニアム・ランシミュレーションからの予測を比較した。
• 一般化された$\chi^2$統計を適用して、観測と$Λ$CDMモデルとの間の乖離の統計的有意性を定量的に評価した。
• 選択バイアスを低減し、観測条件に近づけるために、シミュレーションで全光度加重銀河分布を用いた。
• 宇宙論的パラメータの変動や赤方偏移の進化に対する結果の頑健性を評価し、赤方偏移が高くなると$Λ$CDMはさらにずれを予測する傾向にあると指摘した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三軸性を持つクラスタにおける銀河とダークマター分布のずれが、統計的に$Λ$CDM予測と整合しているか？
• RQ2 乖離は選択効果や半アナリティカル銀河形成モデルの限界に起因している可能性はあるか？
• RQ3 観測されたずれは、ダークエネルギーとダークマターの間の非最小結合に起因する局所的第五力の存在を示唆しているか？
• RQ4 このような第五力の強さと範囲は、クラスタスケールのずれ測定によって制約可能か？
• RQ5 第五力の導入は、クラスタ環境におけるダークマターと銀河分布の予想される整合性にどのように影響するか？

主な発見

• 観測されたずれが$Λ$CDM予測と整合しているという仮説は、99%信頼水準で否定された。
• 銀河とダークマター分布の主要軸間の相関は、$Λ$CDMモデルの予測よりも顕著に弱かった。
• 高赤方偏移領域でも乖離は継続しており、$Λ$CDMはより強い整合性を予測するが、それでも同様に不一致が残った。
• 全光度加重銀河分布をシミュレーションで用いたため、選択バイアスに対する結果の頑健性が確保された。
• 結果は、ダークエネルギーとダークマターの非最小結合に起因する局所的第五力が、観測されたずれを説明できる可能性を示唆している。
• 本研究は、クラスタスケールのずれがダークセクター相互作用を検証する新たな観測的プローブとして機能する可能性を提唱した。