[論文レビュー] Tidal stripping of dark matter subhalos by baryons from analytical perspectives: disk shocking and encounters with stars

Gaétan Facchinetti, Martin Stref+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、銀河内のバリオン成分によるダークマター準銀河の潮汐的剥ぎ取りを、星間接近とディスクショッキングに焦点を当て、解析的に調査している。星間接近は、約1 M⊙未塔の準銀河を効率的に pruning し、ディスクショッキングの効果を上回るオーダーでその数密度を低下させる。一方、ディスクショッキングは、より質量が大きく、集中度の高い準銀河を優先的に剥ぎ取る。その結果、宇宙論的質量関数とは著しく異なる、強く修正された潮汐質量関数が得られる。

ABSTRACT

The cold dark matter (CDM) scenario predicts that galactic halos should host a huge amount of subhalos possibly lighter than planets, depending on the nature of dark matter. Predicting their abundance and distribution has important implications for dark matter searches and searches for subhalos themselves, as they could provide a decisive test of the CDM paradigm. A major difficulty in subhalo population model building is to account for the gravitational stripping induced by baryons, which strongly impact on the overall dynamics inside galaxies. In this paper, we focus on these "baryonic" tides from analytical perspectives, summarizing previous work on galactic disk shocking, and thoroughly revisiting the impact of individual encounters with stars. For the latter, we go beyond the reference calculation of Gerhard and Fall (1983) to deal with penetrative encounters, and provide new analytical results. Based upon a full statistical analysis of subhalo energy change during multiple stellar encounters possibly occurring during disk crossing, we show that subhalos lighter than $\sim 1$~M$_\odot$ are very efficiently pruned by stellar encounters. This modifies their mass function in a stellar environment. In contrast, disk shocking is more efficient at pruning massive subhalos. In short, if reasonably resilient, subhalos surviving disk crossing have lost all their mass but an inner cuspy part, with a tidal mass function strongly departing from the cosmological one. If fragile, stellar encounters make their number density drop by an additional order of magnitude with respect to disk-shocking effects only (e.g., at the solar position in the Milky Way). Our results can be incorporated to any analytical or numerical subhalo population model, as we show for illustration. This study complements those based on cosmological simulations, which cannot resolve dark matter subhalos on such small scales.

研究の動機と目的

• 銀河ディスク内におけるバリオン成分、特に星間接近とディスクショッキングによるダークマター準銀河の潮汐的剥ぎ取りを解析的にモデル化すること。
• 質量と耐性の観点から、星間接近とディスクショッキングの間で準銀河を pruning する相対的な効率を定量化すること。
• 太陽系のディスクのようなバリオンに富んだ環境における準銀河の修正された潮汐質量関数を導出すること。
• これらの効果がダークマター検出の可能性に与える影響、特に局所的密度の増加と結合率の上昇を評価すること。
• 半解析的準銀河集団モデルと併用可能な解析的に取り扱いやすいフレームワークを提供すること。これにより、宇宙論的シミュレーションを補完する。

提案手法

• Gerhard & Fall (1983) の近似を越えて、衝突パラメータの統計的取り扱いを含む、個々の星間接近によるエネルギーキックを計算する解析的フレームワークを開発した。
• 浸食的接近を考慮し、解析的積分を用いて準銀河の半径方向シェルごとの累積エネルギーキック分布を導出した。
• 解析的推定値の妥当性を検証し、平均値を過大評価する稀で接近した接近の寄与を補正するために、モンテカルロシミュレーションを実施した。
• ダークマター剥ぎ取りの深さに基づく潮汐効率基準を導入し、衝突後の内側プロファイルが保持されると仮定して準銀河の生存を決定した。
• ディスクショッキング（滑らかなポテンシャル）と星間接近（粒状のポテンシャル）を独立的だが補完的な効果として統合した解析的モデルを構築した。
• スラブスキー・リーマン・2017（SL17）準銀河集団モデルを用い、銀河の内側10 kpcにおける修正された質量関数を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の星間接近は、低質量ダークマター準銀河のエネルギーおよび質量の進化にどのように影響するか？
• RQ2 星間接近とディスクショッキングの間で、銀河ディスク内における準銀河の潮汐的剥ぎ取りに寄与する相対的寄与は何か？
• RQ3 バリオンの潮汐によって準銀河質量関数は、特に低質量領域でどのように宇宙論的関数から逸脱するか？
• RQ4 準銀河の耐性（壊れやすい vs. 耐性がある）が、太陽系近辺の生存準銀河の数密度に与える影響は何か？
• RQ5 これらの潮汐効果は、ダークマター直接検出および結合放射信号による間接検出の可能性にどのように影響を及けるか？

主な発見

• 星間接近は、約1 M⊙未塔の準銀河を効率的に pruning し、ディスクショッキングのみの効果を上回るオーダーでその数密度を低下させる。
• ディスクショッキングは、より質量が大きく、集中度の高い準銀河を優先的に剥ぎ取るが、星間接近は低質量準銀河の pruning を支配する。
• 生存準銀河の潮汐質量関数は、元の宇宙論的質量関数から著しく逸脱しており、特に低質量領域で顕著である。
• 壊れやすい準銀河では、星間接近がディスクショッキングのみの場合と比較して、内側10 kpcにおける数密度をオーダー10下げる。
• モデルは、過去10 Gyr間に10^3から10^5個の質量が10^{-10} M⊙以上の準銀河が太陽系を通過した可能性を予測しており、それが検出可能なダークストリームを形成する可能性がある。
• 解析的フレームワークは、準銀河集団モデルにバリオンの潮汐を組み込むための計算的に効率的な方法を提供し、シミュレーションを越えた広いパラメータ空間の探索を可能にする。