[論文レビュー] There is No Missing Satellites Problem

Stacy Y. Kim, Annika H. G. Peter+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Space exploration and regulation被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、スローン・ディジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）データに完全性補正を適用することで、コールド・ダーク・マター（CDM）パラダイムにおける欠落した衛星問題を解決する。補正された検出効率を考慮すると、観測された明るい衛星（L ≥ 340 L⊙）の数は、CDMの予測と一致する。実証的星系質量対ハロー質量関係と、半径および方位角補正係数を用いることで、標準的なバリオン物理学を有するCDMが観測された衛星数を再現することを示し、熱的レリック質量 < 4 keV のウォーム・ダーク・マター（WDM）モデルは除外される。

ABSTRACT

A critical challenge to the cold dark matter (CDM) paradigm is that there are fewer satellites observed around the Milky Way than found in simulations of dark matter substructure. We show that there is a match between the observed satellite counts corrected by the detection efficiency of the Sloan Digital Sky Survey (for luminosities $L \gtrsim$ 340 L$_\odot$) and the number of luminous satellites predicted by CDM, assuming an empirical relation between stellar mass and halo mass. The "missing satellites problem", cast in terms of number counts, is thus solved. We also show that warm dark matter models with a thermal relic mass smaller than 4 keV are in tension with satellite counts, putting pressure on the sterile neutrino interpretation of recent X-ray observations. Importantly, the total number of Milky Way satellites depends sensitively on the spatial distribution of satellites, possibly leading to a "too many satellites" problem. Measurements of completely dark halos below $10^8$ M$_\odot$, achievable with substructure lensing and stellar stream perturbations, are the next frontier for tests of CDM.

研究の動機と目的

• 観測された衛星数にサーベイの検出非効率性を補正することで、コールド・ダーク・マター（CDM）パラダイムにおける長年の欠落した衛星問題（MSP）を解決すること。
• SDSSのようなサーベイにおける不完全性を考慮した上で、CDMシミュレーションが観測された銀河の明るい衛星数を再現できるかどうかをテストすること。
• 完全性補正済み観測データと比較して、ウォーム・ダーク・マター（WDM）およびステアリル・ニュートリノモデルに対する制約を評価すること。
• 再イオン化や潮汐的ストリッピングを含むバリオン物理学の役割が、ダーク・マター準準ハロー内の明るい衛星分率に与える影響を評価すること。
• 今後の観測的フロンティア、例えば10⁸ M⊙未満の完全に暗黒なハローを、準準構造レンズ効果や星の流れの摂動によって検出すること。

提案手法

• 著者らは、観測された衛星数に完全性補正係数 c(L) = c_r(L) × c_Ω(L) を適用する。ここで c_r は半径方向のサーベイカバー範囲を、c_Ω は方位角方向の空域カバー範囲を補正する。
• 補正は、衛星の3次元空間的分布を仮定し、等方的であると仮定し、各光度ビンに対して全準準体積とサーベイされた体積の比から c(L) を導出する。
• SDSSからの観測光度関数と理論的準準ハロー質量関数、および実証的星系-ハロー質量（SMHM）関係を組み合わせ、CDMにおける明るい衛星の数を予測する。
• Mosterら（2013）、Brookら（2014）、Behrooziら（2013）のSMHM関係を用いて、準準ハローに観測可能な銀河が存在する割合をモデル化する。
• 再イオン化赤方偏移 z_re を 9.3 から 14.4 に変化させ、低質量準準ハロー内の明るい分率に与える不確実性を評価する。
• 感度テストとして、最も明るさが弱いSegue Iを除外し、完全性補正への影響を評価した。その結果、L ≥ 850 L⊙ の補正済み数が40％低下することが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全性補正済みの明るいミルキーウェイ衛星（L ≥ 340 L⊙）の数は、CDMシミュレーションの予測と一致するか？
• RQ2 半径および方位角のサーベイカバー範囲補正は、推定された明るい衛星総数にどのように影響するか？
• RQ3 検出効率を補正したデータを考慮すると、熱的レリック質量 < 4 keV のWDMモデルは観測された衛星数を再現できるか？
• RQ4 衛星数は、星系-ハロー質量関係および再イオン化赤方偏移にどのような制約を課すか？
• RQ5 潮汐的ストリッピングおよびバリオンフィードバックは、準準ハロー内の明るい分率にどのように影響し、観測された衛星数にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 完全に補正された明るいミルキーウェイ衛星（L ≥ 340 L⊙）の数は、全空で約236であり、95％信頼区間は135～258の範囲にあり、仮定された空間的分布に依存する。
• Mosterら（2013）のSMHM関係に再イオン化赤方偏移 z_re = 9.3 を組み合わせると、完全性補正済み光度関数に良好なフィットが得られ、観測データと詳細に一致する。
• Brookら（2014）のSMHM関係は衛星数を低く予測し、半径補正を考慮しないと、単純な面積補正のみに一致する。
• Behrooziら（2013）のSMHM関係は衛星数を過大に予測し、観測データと一致させるには、10⁶ M⊙ 未満の準準ハローに銀河が存在する必要がある。
• Segue I を除外すると、L ≥ 850 L⊙ の完全性補正済み衛星数は、D17の半径分布を用いて142から95に低下し、最も明るさが弱い小惑星が補正に占める主導的役割が明らかになる。
• 熱的レリック質量 < 4 keV のウォーム・ダーク・マター（WDM）モデルは、衛星数データによって除外される。これは、最近のX線観測のステアリル・ニュートリノ解釈に対する強い制約をもたらす。