[論文レビュー] The MUSE-Faint survey: I. Spectroscopic evidence for a star cluster in Eridanus 2 and constraints on MACHOs as a constituent of dark matter

Sebastiaan L. Zoutendijk, J. Brinchmann+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 77被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、MUSE-Faint調査データを用いて、超微弱矮星族銀河Eridanus 2に星団が存在することを分光的証拠として提示している。これは、低速度分散を示す動的独立集団としての存在を確認したものである。また、暗黒物質としての質量的天体（MACHO）の新たな制約を導出し、もし暗黒物質が完全にMACHOから構成されているならば、95%信頼区間で44 M⊙を超えるMACHO質量は除外され、68%信頼区間では7.6 M⊙を超えるMACHO質量は除外される。

ABSTRACT

We aim to provide spectroscopic evidence regarding the nature of the putative star cluster in Eridanus 2 and to place constraints on the mass and abundance of massive astrophysical compact halo objects (MACHOs) as a constituent of dark matter. Methods. We present spectroscopic observations of the central square arcminute of Eridanus 2 from MUSE-Faint, a survey of ultra-faint dwarf galaxies with the Multi Unit Spectroscopic Explorer on the Very Large Telescope. We derive line-of-sight velocities for possible member stars of the putative cluster and for stars in the centre of Eridanus 2. We discuss the existence of the cluster and determine new constraints for MACHOs using the Fokker-Planck diffusion approximation. Results. Out of 182 extracted spectra, we identify 26 member stars of Eridanus 2, seven of which are possible cluster members. We find intrinsic mean line-of-sight velocities of $79.7^{+3.1}_{-3.8}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ and $76.0^{+3.2}_{-3.7}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ for the cluster and the bulk of Eridanus 2, respectively, and intrinsic velocity dispersions of ${<}7.6\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ (68-$\%$ upper limit) and $10.3^{+3.9}_{-3.2}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$, respectively. This indicates the cluster most likely exists as a distinct dynamical population hosted by Eridanus 2, without surplus of dark matter over the background distribution. Among the member stars in the bulk of Eridanus 2, we find possible carbon stars, alluding to the existence of an intermediate-age population. We derive constraints on the fraction of dark matter that can consist of MACHOs with a given mass between $1$-$10^5\,M_\mathrm{sun}$. For dark matter consisting purely of MACHOs, the mass of the MACHOs must be less than ${\sim}7.6\,M_\mathrm{sun}$ and ${\sim}44\,M_\mathrm{sun}$ at a $68$- and $95$-$\%$ confidence level, respectively. (Abridged)

研究の動機と目的

• 超微弱矮星族銀河Eridanus 2に存在するとされる星団の分光的確認を行うこと。
• 星団およびEridanus 2の本体の運動学的性質（平均ドップラー速度および速度分散）を特定し、その動的独立性を評価すること。
• 星団の生存状態を用いて、質量的天体（MACHO）が暗黒物質の構成要素としての質量および豊度を制約すること。
• 初期質量関数、金属量、動的質量推定法の不確実性に対するMACHO制約の頑健性を検証すること。
• Fokker–Planck拡散近似が、特に高質量MACHOに対してMACHO制約を導出する際に果たす役割の限界を評価すること。

提案手法

• 非常に大型望遠鏡（VLT）に搭載されたマルチユニット分光計器（MUSE）を用いて、Eridanus 2の中心1平方弧分の分光観測を実施した。
• 182個のスペクトルを抽出し、Eridanus 2のメンバー星26個（うち7個が候補の星団メンバー）を同定した。
• 測定誤差と固有分散を考慮した、きめ細やかな統計的モデリングを用いて、ライン・オブ・サイト速度および固有速度分散を測定した。
• Fokker–Planck拡散近似を用いて、MACHOが引き起こす星団内の星の加熱をモデル化し、星団の生存可能性とMACHOの質量・豊度を関連づけた。
• emceeサンプラーを用いたベイズ推論により、速度分散および星団質量の不確実性を組み込み、MACHO質量限界の信頼区間を導出した。
• 初期質量関数、金属量、動的質量推定法の変動に対する結果の感度を評価し、頑健性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分光的運動学的観測に基づくと、Eridanus 2の中心に星団が存在するか？
• RQ2 仮定される星団およびEridanus 2の本体の固有ライン・オブ・サイト速度および速度分散は何か？
• RQ3 星団の生存状態は、MACHOが暗黒物質の構成要素としての質量および豊度をどのように制約するか？
• RQ4 初期質量関数や金属量といった天文学的仮定の変動に対して、MACHO制約はどれほど頑健か？
• RQ5 Fokker–Planck拡散近似は、特に高質量MACHOに対して、MACHO制約を導出する際にどのような限界を有するか？

主な発見

• 分光的観測により、Eridanus 2の中心に固有平均ライン・オブ・サイト速度79.7+3.1−3.8 km s⁻¹、速度分散が7.6 km s⁻¹未塔（68%上限）である動的冷たい束縛星団としての明確な別個体が確認された。
• Eridanus 2の本体は平均速度76.0+3.2−3.7 km s⁻¹、速度分散10.3+3.9−3.2 km s⁻¹を示し、より広がった、高温の系であると一致する。
• 星団は背景分布と比べて著しく質量が大きくないため、暗黒物質過密度が低い独立した集団としての存在が支持される。
• Eridanus 2のメンバー星に炭素星が存在する証拠は、支配的である古星族に加えて中年星族が存在することを示唆している。
• もし暗黒物質が完全にMACHOから構成されているならば、68%信頼区間で100.88 M⊙ ≈ 7.6 M⊙を超えるMACHO質量は除外され、95%信頼区間で101.64 M⊙ ≈ 44 M⊙を超えるMACHO質量は除外される。
• 初期質量関数、金属量、動的質量推定法の変動に対しても制約は頑健であるが、MACHO質量がおよそ10⁴ M⊙を超える場合にはFokker–Planck近似が破綻する可能性がある。