[論文レビュー] Warm dark matter constraints from the JWST

Pratika Dayal, Sambit K. Giri|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文はハロー質量関数と星形成質量を結ぶ現象論的モデルを用い、JWSTデータで温暗黒物質WDM粒子質量を制約する。低質量SMFとSMDの進化によって1.5 keV WDMは支持されず、高赤方偏移で最大星質量に鋭い切断が生じると予測する。

ABSTRACT

Warm Dark Matter (WDM) particles with masses ($\sim$ kilo electronvolt) offer an attractive solution to the small-scale issues faced by the Cold Dark Matter (CDM) paradigm. The delay of structure formation in WDM models and the associated dearth of low-mass systems at high-redshifts makes this an ideal time to revisit WDM constraints in light of the unprecedented data-sets from the James Webb Space Telescope (JWST). Developing a phenomenological model based on the halo mass functions in CDM and WDM models, we calculate high-redshift ($z \gt 6$) the stellar mass functions (SMF) and the associated stellar mass density (SMD) and the maximum stellar mass allowed in a given volume. We find that: (i) WDM as light as 1.5 keV is already disfavoured by the low-mass end of the SMF (stellar mass $M_* \sim 10^7 m{M_\odot}$) although caution must be exerted given the impact of lensing uncertainties; (ii) 1.5 keV WDM models predict SMD values that show a steep decrease from $10^{8.8}$ to $10^{2} ~{ m M_\odot ~cMpc^{-3}}$ from $z \sim 4$ to 17 for $M_* \gt 10^8 m{M_\odot}$; (iii) the 1.5 keV WDM model predicts a sharp and earlier cut-off in the maximum stellar masses for a given number density (or volume) as compared to CDM or heavier WDM models. For example, with a number density of $10^{-3} m {cMpc^{-3}}$, 1.5 (3) KeV WDM models do not predict bound objects at $z \gt 12$ (18). Forthcoming JWST observations of multiple blank fields can therefore be used as a strong probe of WDM at an epoch inaccessible by other means.

研究の動機と目的

• CDM/WDM ハロー質量関数フレームワークを用いて、WDMが高赤方偏移のハローと星質量統計にどのように影響するかを評価する。
• 異なるWDMシナリオ下での星質量関数と星質量密度の赤方偏移進化を定量化する。
• CDMおよびWDMに対して与えられた体積で許容される最大星質量を決定し、JWSTからの観測的制約を特定する。
• ハロー質量を星質量に結びつける2つの星形成効率モデルを検討し、JWST観測と比較する。

提案手法

• Sheth-Tormenの最初の交差分布と滑らかな-k ウィンドウによるWDM抑制を用いた拡張Press-Schechter法でハロー質量関数(HMF)を構築する。
• CDMとWDM (m_x ~ 1.5 and 3 keV) に対してCLASSで線形電力スペクトルを計算し、半モードスケールと質量を導出する。
• ハローのガス質量を M_g = (Ω_b/Ω_m) M_h で全質量に結びつけ、 two ε_* モデルの下で星質量 M_* = ε_* M_g を計算する。
• モデルA: ε_* = fn(z) を z ≈ 6–10 の光度端の SMF に合わせて選択する; ε_* は z に伴い減少する。
• モデルB: ε_* = 1 として最大星質量を上限として得る。
• CDM、3 keV WDM、および1.5 keV WDMについて z ≈ 4–20 全体でSMF、SMD、および最大星質量を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WDMは高赤方偏移においてCDMと比較して星質量関数の低質量端をどのように抑制するか？
• RQ2 異なるDMモデルで予測される星質量密度と最大星質量は何か、JWSTデータは m_x を ≳1.5–3 keV に制約できるか？
• RQ3 2つの星形成効率処方がCDMおよびWDMシナリオの推定SMFとSMDにどう影響するか？
• RQ4 今後のJWSTブランク場観測は z > 12–18 で巨大系を検出または否定することによって軽WDMを排除できるか？

主な発見

• 1.5 keV WDMは M_* ≈ 10^7 M_sun 周辺の低質量端のSMFによって支持されず、ただしレンズ効果の不確かさがある。
• SMDの予測は、M_* ≳ 10^8 M_sun に対して1.5 keV WDMが z ≈ 4 から z ≈ 17 にかけて急激に低下することを示す。CDMと比較して。
• 固定数密度で比較すると、1.5 keV WDMモデルはCDM/3 keVに比べて最大星質量の鋭い、早い切断を与える。
• 数密度 10^-3 cMpc^-3 に対して、1.5 keV WDMは z ≈ 12 を超える境界天体を持たないが、3 keV WDMは z ≈ 18 を超える。
• z ≈ 6.5–9のJWST CEERS様似の巨大銀河の観測は、誤差範囲内でCDM/3 keVの限界と一致する。
• 将来のJWSTブランク場調査は、複数の領域にわたり高赤方偏移・高質量端の統計を調べることで軽WDMを確実に検証できる。