[論文レビュー] The MUSE-Faint survey. III. No large dark-matter cores and no significant tidal stripping in ultra-faint dwarf galaxies

Sebastiaan L. Zoutendijk, Mariana P. Júlio+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、MUSE-Faint調査から得られた201個の新しい星のライン・オブ・サイト速度を用いて、超微弱矮星銀河（UFDs）におけるダークマター・ハローの性質について、これまでで最も厳しい制約を提示する。アンティラ B、レオ T、ハイドラ II、グルス 1 においては、明確なダークマター・コアや潮汐的剥ぎ取りの兆候は認められず、68%信頼水準でコア半径 $r_c < 66$–$95\,$pc およびソリトン半径 $r_{\mathrm{sol}} < 13$–$112\,$pc である。これは、$M_{200} \sim 10^9\,M_\odot$ の再イオン化化石モデルが支持されることを示唆する。結果は動的モデリング手法に敏感であり、GravSphereはCJAMよりも理論的スケーリング関係と整合性が良い。

ABSTRACT

[Abridged] Aims. The lowest-mass galaxies, ultra-faint dwarf galaxies, promise unparalleled constraints on how feedback regulates galaxy formation, and on the small-scale matter power spectrum. Their inner dark-matter densities can also be used to constrain dark-matter models. In this paper, we present 201 new stellar line-of-sight velocities from the MUSE-Faint survey for the (ultra-)faint dwarf galaxies Antlia B, Leo T, Hydra II, and Grus 1. Combining these with literature data, we obtain the tightest constraints to date on their dark-matter halo masses and inner dark-matter densities. Methods. We use the Jeans equations implemented in CJAM to model the density profiles and constrain the presence of dark-matter cores and solitons (a prediction of fuzzy dark-matter models). Further modelling is done with GravSphere to test the influence of the choice of modelling tool. We calculate masses, concentrations, and circular velocities from the profiles, include results for Eridanus 2 from our previous work, and compare these properties to theoretical scaling relations, deriving constraints on tidal stripping in the process. Results. We find that dark-matter cores as large as those of more massive dwarf galaxies are ruled out for our galaxies (core radius $r_\mathrm{c} &lt; 66$-$95\,\mathrm{pc}$ at the 68% confidence level). We constrain the soliton radii to $r_\mathrm{sol} &lt; 13$-$112\,\mathrm{pc}$ (68% confidence level). We find that the galaxies are consistent with not having been significantly tidally stripped within their half-light radii. The virial masses and concentrations are sensitive to the choice of dynamical modelling tool: GravSphere produces results consistent with $M_{200} \sim 10^9\,M_\odot$, as expected from models in which ultra-faint dwarf galaxies are re-ionization fossils, while CJAM prefers haloes that are less massive.

研究の動機と目的

• 超微弱矮星銀河（UFDs）におけるダークマター・ハロー質量、内部密度、コアサイズを制約し、ダークマター理論やフィードバック物理学の検証に不可欠である。
• UFDs に大きなダークマター・コアやソリトンが存在するかどうかを、ファジー・ダークマター理論などの代替ダークマター理論の主要予測を検証する。
• 観測された速度分散および密度プロファイルを理論的期待値と比較することで、UFDsにおける潮汐的剥ぎ取りの程度を評価する。
• 異なる動的モデリングツール（CJAM 対 比較）が得られるハロー特性（特に準拡散質量および濃度）に与える影響を評価する。

提案手法

• アンティラ B、レオ T、ハイドラ II、グルス 1 の4つのUFDに対して、MUSEインテグラルフィールドスケーラーを用いて201個の新しい星のライン・オブ・サイト速度を取得した。
• 文献データと組み合わせて、高精度な運動学的プロファイルを構築し、動的モデリングに用いた。
• CJAMフレームワーク内でのジェインズ方程式を適用し、密度プロファイルをモデル化し、コア半径およびソリトン半径を制約した。
• GravSphereを用いて、異なる動的モデリング仮定に対する結果の妥当性を検証した。
• 得られたハロー特性（準拡散質量 $M_{200}$、濃度 $c_{200}$、円運動速度）を理論的スケーリング関係と比較し、潮汐的剥ぎ取りの程度を推定した。
• CJAMとGravSphereの結果を比較することで、特に大半径領域への外挿において生じるモデルバイアスを制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバックモデルの予測通り、超微弱矮星銀河はより大きな質量の矮星銀河と同程度の大きなダークマター・コアを持つのか？
• RQ2 ファジー・ダークマター理論が予測するように、UFDの内部領域にソリトン（コアに類似した構造）が存在する証拠はあるか？
• RQ3 観測された速度分散プロファイルに基づいて、これらのUFDはどの程度潮汐的に剥ぎ取られているのか？
• RQ4 推定されたハロー特性（例：$M_{200}$、$c_{200}$）は、再イオン化化石の理論的スケーリング関係とどの程度一致するか？
• RQ5 CJAMとGravSphereのどちらの動的モデリングツールが、UFDにおけるハロー特性の推定でバイアスが小さいか？

主な発見

• 4つのUFDにおけるダークマター・ハローのコア半径は、68%信頼水準で $r_c < 66$–$95\,$pc に制限され、より大きな質量の矮星銀河に見られるような大きなコアを排除する。
• ソリトン半径は68%信頼水準で $r_{\mathrm{sol}} < 13$–$112\,$pc に制限され、ファジー・ダークマター理論に対して強い制限を与える。
• 半光半径内では、速度分散と円運動速度がモデル間で一貫しており、明確な潮汐的剥ぎ取りの兆候は認められない。
• GravSphereは準拡散質量 $M_{200} \sim 10^9\,M_\odot$ を得ており、再イオン化化石の理論的期待値と整合的である一方、CJAMはより低い質量のハローを好む。
• 準拡散質量および濃度は、動的モデリングツールの選択に強く依存しており、GravSphereは理論的スケーリング関係とより整合性が良い。
• 現在の動的モデルは、大半径領域への外挿においてバイアスを含む可能性があるため、モックUFDを用いたさらなる検証が不可欠である。