[論文レビュー] The vertical force in the Solar Neighbourhood using red clump stars in TGASxRAVE - Constraints on the local dark matter density

Jorrit H. J. Hagen, A. Helmi|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、TGASxRAVEデータセットの赤クチウツボ星を用いて、軸対称 Jeans方程式を適用し、太陽近傍における垂直方向力の測定を実施した。その結果、局所的ダークマター密度は $\rho_{ extrm{DM}} = 0.018 \pm 0.002 \, M_{\odot}/\textrm{pc}^3$ と得られた。この結果は系統的不確実性、特に星間円盤のスケール高さに敏感であり、良好な統計的精度にもかかわらず、密度推定値に30%の変化を引き起こす可能性がある。

ABSTRACT

We investigate the kinematics of red clump stars in the Solar Neighbourhood by combining data from TGAS and RAVE to constrain the local dark matter density. After calibrating the absolute magnitude of red clump stars, we characterize their velocity distribution over a radial distance range of $6$-$10$ kpc and up to $1.5$ kpc away from the Galactic plane. We then apply the axisymmetric Jeans equations on subsets representing the thin and thick disks to determine the (local) distribution of mass near the disk of our Galaxy. Our kinematic maps are well-behaved permitting a straightforward local determination of the vertical force, which we find to be $K_z^{ m thin} = -2454 \pm 619$ and $K_z^{ m thick} = -2141 \pm 774$ $(\mathrm{km/s})^2 \! /\mathrm{kpc}$ at $1.5$ kpc away from the Galactic plane for the thin and thick disk samples and for thin and thick disk scale heights of 0.28 kpc and 1.12 kpc respectively. These measurements can be translated into a local dark matter density $ρ_ extrm{DM} \sim 0.018 \pm 0.002 M_\odot/ extrm{pc}^3$. The systematic error on this estimate is much larger than the quoted statistical error, since even a 10% difference in the scale height of the thin disk leads to a 30% change in the value of $ρ_ extrm{DM}$, and a nearly equally good fit to the data.

研究の動機と目的

• 太陽近傍における局所的ダークマター密度を、赤クチウツボ星の運動論的データを用いて制約すること。
• 特に円盤のスケール高さに起因する系統的不確実性が、ダークマター密度推定値に与える影響を評価すること。
• 高精度のアストロメトリー（TGAS）と径方向速度（RAVE）を統合することで、局所的質量モデルの精度を向上させること。
• 運動論的マップを用いて、銀河円盤における軸対称平衡仮定の妥当性を検証すること。
• ダークマター密度測定における統計誤差と系統的誤差の相対的寄与度を定量化すること。

提案手法

• 本研究では、TGASとRAVE DR5を照合し、高精度のアストロメトリーと径方向速度を持つ108,679個の恒星について、全位相空間情報を得た。
• 赤クチウツボ星は、減光補正済みの色-等級図およびヘルツシュプラング＝ラッセル図における位置を用いて標準標準光源として選別され、平均的絶対 $K_S$-バンド等級は $-0.36 \pm 0.08$ であった。
• 金属量を用いて異なる恒星群に分離した薄円盤および厚円盤のサンプルに適用した軸対称 Jeans方程式を用いて、垂直方向力が導出された。
• 半径6–10 kpc、銀河平面からの高さ1.5 kpcまでの範囲で、速度分散および平均垂直速度の運動論的マップが構築された。
• モデルは、スケール高さがそれぞれ0.28 kpc（薄円盤）および1.12 kpc（厚円盤）であると仮定し、$\chi^2$ を最小化することで最良の質量分布が同定された。
• 系統的不確実性は、スケール高さや密度比といった円盤パラメータを変化させることで評価され、薄円盤のスケール高さが10%変化すると、$\rho_{\rm DM}$ は30%変化することが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TGASxRAVEデータセットに含まれる赤クチウツボ星を用いた測定により、太陽近傍における局所的垂直方向力はどの程度か？
• RQ2 局所的ダークマター密度推定値は、薄円盤および厚円盤の仮定されたスケール高さにどの程度依存するか？
• RQ3 局所的ダークマター密度測定において、円盤パラメータの系統的不確実性が統計誤差を上回る程度はどの程度か？
• RQ4 異なる恒星群の運動論的マップに軸対称 Jeans方程式を適用した場合、垂直方向力の推定値は信頼できるか？
• RQ5 赤クチウツボ星の観測された運動論的性質は、銀河円盤における局所的動的平衡の仮定をどの程度支持するか？

主な発見

• 薄円盤における垂直方向力は、平面面からの高さ1.5 kpcで $K_z^{\rm thin} = -2454 \pm 619 \, (\mathrm{km/s})^2/\mathrm{kpc}$ と測定された。
• 厚円盤における垂直方向力は、同じ高さで $K_z^{\rm thick} = -2141 \pm 774 \, (\mathrm{km/s})^2/\mathrm{kpc}$ と測定された。
• 局所的ダークマター密度は $\rho_{\rm DM} = 0.018 \pm 0.002 \, M_{\odot}/\textrm{pc}^3$ と推定され、内部統計誤差は13.5%であった。
• 薄円盤のスケール高さに10%の不確実性があると、導出されたダークマター密度は30%変化するため、系統的誤差が支配的であることが示された。
• フィットの品質は円盤パラメータに敏感であり、異なるスケール高さの組み合わせでもほぼ同等のフィットが得られるため、パラメータのデゲネラシーが顕著に現れた。
• 運動論的マップからは、中間面からの高さ0.7 kpc以内で円盤の湾曲や呼吸モードの強い証拠は認められず、軸対称仮定が支持された。