[論文レビュー] The Paleoclimatic evidence for Strongly Interacting Dark Matter Present in the Galactic Disk

Nir J. Shaviv|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、地球の気候に32Myrの周期的変動を示す古気候データから、銀河平面に密度 $\rho_{\text{dDM}} = 0.11 \pm 0.03~{}\mathrm{M}_\odot/\mathrm{pc}^3$ の運動的に冷たい、強く相互作用する暗黒物質ディスク（dDM）が存在すると提案している。このdDM成分はトゥムレ安定性と整合的であり、垂直速度分散は $\sigma_W = 8.0 \pm 4.5~{}\mathrm{km/s}$ であり、太陽円内での銀河質量の約1/8から1/4を占め、密度の高い薄いディスクやバリオン的・コンパクトな暗黒物質説明を排除する。

ABSTRACT

Using a recent geochemical reconstruction of the Phanerozoic climate which exhibits a 32 Ma oscillation with a phase and the secondary modulation expected from the vertical the motion of the solar system perpendicular to the galactic plane (shaviv et al. 2014), we show that a kinematically cold strongly interacting disk dark matter (dDM) component is necessarily present in the disk. It has a local density $ρ_\mathrm{dDM} = 0.11 \pm 0.03$ M$_{\odot}/$pc$^3$. It is also consistent with the observed constraints on the total gravitating mass and the baryonic components, and it is the natural value borne from the Toomre stability criterion. It also has surface density $Σ_\mathrm{dDM} = 15 \pm 5$ M$_{\odot}/$pc$^2$ and a vertical velocity dispersion of $σ_{W} = 8.0 \pm 4.5$ km/s. A dense ("dinosaur killing") thin disk is ruled out. The "normal" halo dark matter (hDM) component should then have a local density $ρ_\mathrm{hDM} \lesssim 0.01$ M$_{\odot}/$pc$^3$. If the dDM component follows the baryons, its average density parameter is $Ω_\mathrm{dDM} = 1.5 \pm 0.5\%$ and it comprises about 1/8 to 1/4 of Milky Way (MW) mass within the solar circle.

研究の動機と目的

• 銀河ディスクにおける力学的質量密度とバリオン質量密度推定値の不一致を解消すること。
• パレオコリュームのデータが暗黒物質ディスク成分の存在を制約できるかどうかを検証すること。
• 運動的に冷たい、強く相互作用する暗黒物質ディスクが銀河の安定性および観測された重力的制約と整合的かどうかを特定すること。
• バリオン的コンパクト物体や重力的に崩壊した暗黒物質といった代替説明を除外すること。

提案手法

• 各質量成分について、自己整合的な平衡分布関数 $\rho_i = \rho_{0,i} \exp(-\Phi(z)/\sigma_{z,i}^2)$ を用いて銀河の垂直構造をモデル化する。
• 外部からの制約に基づき、$\rho_{\text{hDM}} \lesssim 0.01~{}\mathrm{M}_\odot/\mathrm{pc}^3$ の標準的ハロー暗黒物質（hDM）成分を組み込む。
• パレオコリュームのデータを用いて、コチアノゾイクの気候に32Myrの周期的変動が存在することを示し、太陽の銀河平面に垂直な運動の周期的変動を推定する。
• トゥムレ安定性基準を適用して、冷たいdDMディスクが重力的に安定であるかどうかを評価する。
• dDMの冷却機構を評価し、$2d \rightarrow 2d + \ell$ 反応を含む。冷却が有効であるためには $\sigma_{dd\ell}/m_d \gtrsim 0.03~{}\mathrm{cm}^2/\mathrm{g}$ が必要である。
• 波動励起の閾値（$Q \gtrsim 1$）と比較することで、dDMの運動的安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パレオコリュームのデータは、銀河に暗黒物質ディスクが存在することを示唆できるか？
• RQ2 観測された32Myrの気候周期的変動を説明するためには、運動的に冷たい暗黒物質ディスクの局所的密度と速度分散はどの程度必要か？
• RQ3 強く相互作用する暗黒物質ディスクは、銀河の安定性およびトゥムレ基準と整合的か？
• RQ4 推定された暗黒物質成分は、バリオン的コンパクト物体や重力的に崩壊した暗黒物質で説明できるか？
• RQ5 膨張した暗黒物質ハローが冷たく、密度の高いディスクに凝縮するためにはどのような冷却機構が必要か？

主な発見

• 32Myrの古気候周期的変動を説明するためには、運動的に冷たい、強く相互作用する暗黒物質ディスク（dDM）が $\rho_{\text{dDM}} = 0.11 \pm 0.03~{}\mathrm{M}_\odot/\mathrm{pc}^3$ の局所的密度を有する必要がある。
• dDM成分の垂直速度分散は $\sigma_W = 8.0 \pm 4.5~{}\mathrm{km/s}$ であり、冷たく安定したディスクと整合的である。
• dDMの表面密度は $\Sigma_{\text{dDM}} = 15 \pm 5~{}\mathrm{M}_\odot/\mathrm{pc}^2$ であり、太陽円内における銀河質量の約 $\sim 1/8$ から $1/4$ を占める。
• dDM成分は密度の高い薄いディスクやコンパクトなバリオン的物体とは整合せず、急速な加熱のため重力的に崩壊した暗黒物質でもない。
• dDMがディスクに凝縮するための冷却断面積は $\sigma_{dd\ell}/m_d \gtrsim 0.03~{}\mathrm{cm}^2/\mathrm{g}$ 必要であり、強い自己相互作用を示唆する。
• ハロー暗黒物質密度は $\rho_{\text{hDM}} \lesssim 0.01~{}\mathrm{M}_\odot/\mathrm{pc}^3$ に制限され、既存の力学的および回転曲線の制約と整合的である。