[論文レビュー] Unequal-mass mergers of dark matter haloes with rare and frequent self-interactions

Moritz S. Fischer, M. Brüggen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 100被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、N体シミュレーションを用いて、まれな自己相互作用と頻繁な自己相互作用の両方を想定した不均一質量のダークマター（DM）ハロー合体を調査する。頻繁な自己相互作用は、特に準主系合体において、より速い準ハローの崩壊に起因して、より大きなDM-銀河オフセットを生じさせることを発見した。また、DMの合体後でさえ、衝突なしの星のトレーサーは明確に分離したまま残り、まれな自己相互作用と頻繁な自己相互作用の間を観測的に区別する手がかりを提供する可能性がある。

ABSTRACT

Dark matter (DM) self-interactions have been proposed to solve problems on small length scales within the standard cold DM cosmology. Here, we investigate the effects of DM self-interactions in merging systems of galaxies and galaxy clusters with equal and unequal mass ratios. We perform N-body DM-only simulations of idealized setups to study the effects of DM self-interactions that are elastic and velocity-independent. We go beyond the commonly adopted assumption of large-angle (rare) DM scatterings, paying attention to the impact of small-angle (frequent) scatterings on astrophysical observables and related quantities. Specifically, we focus on DM-galaxy offsets, galaxy--galaxy distances, halo shapes, morphology, and the phase--space distribution. Moreover, we compare two methods to identify peaks: one based on the gravitational potential and one based on isodensity contours. We find that the results are sensitive to the peak finding method, which poses a challenge for the analysis of merging systems in simulations and observations, especially for minor mergers. Large DM-galaxy offsets can occur in minor mergers, especially with frequent self-interactions. The subhalo tends to dissolve quickly for these cases. While clusters in late merger phases lead to potentially large differences between rare and frequent scatterings, we believe that these differences are non-trivial to extract from observations. We therefore study the galaxy/star populations which remain distinct even after the DM haloes have coalesced. We find that these collisionless tracers behave differently for rare and frequent scatterings, potentially giving a handle to learn about the micro-physics of DM.

研究の動機と目的

• 一般的に仮定されるまれな散乱状態を超えて、不均一質量のダークマターハロー合体における頻繁な自己相互作用の天体物理学的効果を調査すること。
• まれな自己相互作用モデルと頻繁な自己相互作用モデルとの間で、DM-銀河オフセット、ハローの形状、位相空間分布がどのように異なるかを評価すること。
• 重力ポテンシャルの極小値と等密度等高線に基づく2種類のピーク検出手法が、合体系におけるDMおよび銀河成分の中心を特定する際に、どの程度異なる位置を示すかを評価すること。
• 衝突なしの星のトレーサーが、DMハローが合体した後でも、空間的に明確に分離した痕跡を保持できるかどうかを検討し、まれな自己散乱と頻繁な自己散乱のモデルを観測的に区別する可能性を評価すること。
• 特に合体の後期段階において、自己相互作用ダークマターの微視的性質を制限できる主要な観測指標を同定すること。

提案手法

• 質量比を変化させた、頭破り型の不均一質量ハロー合体を想定した理想化されたDMのみのN体シミュレーションを実施する。
• 速度に依存しない弾性散乱を仮定し、有効な抵抗力形式を用いて、大角度散乱（まれな自己相互作用）と小角度散乱（頻繁な自己相互作用）をモデル化する。
• 同じ動量移動断面積を仮定した上で、衝突なしのDM、まれな自己相互作用DM（rSIDM）、頻繁な自己相互作用DM（fSIDM）の各状況を比較する。
• DMおよび銀河成分の中心を特定するために、重力ポテンシャルの極小値に基づく手法と、等密度等高線に基づく手法の2通りの異なるピーク検出手法を適用する。
• 合体の各段階において、DM-銀河オフセット、ハローの形状、位相空間分布、準ハローの崩壊時間スケールを測定する。
• 星のトレーサーの時間発展と、合体したDM成分からの分離度を分析し、その診断的有用性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頻繁な自己相互作用は、まれな散乱と比較して、不均一質量の合体においてDM-銀河オフセットにどのように影響を与えるか？
• RQ2 重力ポテンシャルに基づくピーク検出法と等密度等高線に基づくピーク検出法とでは、DMおよび銀河成分の推定位置にどの程度の差が生じるか？
• RQ3 fSIDMシミュレーションにおいて、合体が完了した後でさえ、衝突なしの星のトレーサーが空間的にDM準ハローから明確に分離したまま残るか？
• RQ4 特に最初の遠心点から2回目の近点までの間の合体段階において、rSIDMとfSIDMの差が最も顕著に現れるか？
• RQ5 準ハローの崩壊時間は自己相互作用の頻度にどのように依存するか？また、これは準主系合体における観測的シグナルにどのような含意を持つのか？

主な発見

• 頻繁な自己相互作用は、まれな自己相互作用よりも顕著に大きなDM-銀河オフセットを生じさせ、特に不均一質量の合体において顕著である。2回目の近点通過以前には、一部の準主系合体ケースで100 kpcを超えるオフセットが観測された。
• 動量移動断面積を一定に保っても、fSIDMではrSIDMよりも準ハローの崩壊が著しく速くなる。これは、より高い動量移動に起因する。
• fSIDMシミュレーションにおいて、合体後のDM成分に対し、衝突なしの星のトレーサーが空間的に明確にオフセットしたまま残り、rSIDMとは異なる観測的シグナルを提供する可能性がある。
• τ ≈ 0.25（最初の遠心点）からτ ≈ 1.0（2回目の近点）までの合体段階が、rSIDMとfSIDMの差において最も顕著であり、観測的比較の観点から最も情報量が多い窓である。
• 重力ポテンシャルに基づくピーク検出法と等密度等高線に基づくピーク検出法では、成分の位置が顕著に異なり、観測的解釈に課題をもたらし、一貫した分析フレームワークの必要性を示唆している。
• fSIDMでは、最初の遠心点から2回目の近点までの間、特に不均一質量の合体において、ハロー形状がrSIDMよりもより楕円的になる。これは、DMの非対称的再分配が強いことを示している。