[論文レビュー] Wave Dark Matter and Dwarf Spheroidal Galaxies

Alan R. Parry|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 60被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、球対称性におけるシュレーディンガー＝ポアソン系を用いて、矮小楕円銀河の質量分布および運動学を説明する波動的ダークマター模型を提案する。波動的ダークマター核が自然に核密度プロファイルを生成することを示し、矮小楕円銀河の観測された速度分散プロファイルを再現でき、コア・カスプ問題を解決する冷たいダークマターの代替案として有効であることを示している。

ABSTRACT

We explore a model of dark matter called wave dark matter (also known as scalar field dark matter and boson stars) which has recently been motivated by a new geometric perspective by Bray. Wave dark matter describes dark matter as a scalar field which satisfies the Einstein-Klein-Gordon equations. These equations rely on a fundamental constant $Υ$ (also known as the "mass term" of the Klein-Gordon equation). Specifically, in this dissertation, we study spherically symmetric wave dark matter and compare these results with observations of dwarf spheroidal galaxies as a first attempt to compare the implications of the theory of wave dark matter with actual observations of dark matter. This includes finding a first estimate of the fundamental constant $Υ$. The majority of this thesis has also been presented by the author in three separate shorter papers with arXiv reference codes [arXiv:1210.5269 [gr-qc]], [arXiv:1212.6426 [gr-qc]], [arXiv:1301.0255 [astro-ph.GA]]; note that [arXiv:1301.0255 [astro-ph.GA]], and hence part of Chapter 4, represents joint work with Hubert Bray.

研究の動機と目的

• 複素スカラー場によって記述される波動的ダークマターが、矮小楕円銀河における観測された質量プロファイルおよび速度分散を再現できるかどうかを調査すること。
• 冷たいダークマターモデルにおけるコア・カスプ問題に対処するため、波動的ダークマターが自然に、急峻な密度プロファイルではなく核密度プロファイルを生成するかどうかを検証すること。
• 一般相対性理論の制約と整合する球対称性におけるシュレーディンガー＝ポアソン系を用いて、矮小楕円銀河の力学をモデル化すること。
• ドリル、ウラス・マイノル、その他の銀河を含む、矮小楕円銀河からの観測データと、波動的ダークマター核の予測を比較すること。
• 低表面輝度・低質量系において、冷たいダークマターの代替案として波動的ダークマター仮説が妥当であるかどうかを検証すること。

提案手法

• 重力に最小的にカップルされた複素スカラー場から導かれるシュレーディンガー＝ポアソン系の定常的かつ球対称な解として、ダークマター核をモデル化すること。
• 時間に依存しないシュレーディンガー方程式を、自己無撞着な重力ポテンシャルを用いて解き、定常的な波動関数の解を計算すること。
• 一般相対性理論のニュートン近似を用いて、スカラー場の密度から重力ポテンシャルのポアソン方程式を導出すること。
• 原点および無限遠における境界条件を満たすように、有限差分法を用いて球対称な半径グリッド上で、結合したシュレーディンガー＝ポアソン系を数値的に解くこと。
• 波動関数の確率密度および電流から導かれる位相空間分布関数から、速度分散プロファイルを計算すること。
• ドリル、ウラス・マイノル、その他の矮小楕円銀河からの観測データと、波動的ダークマターの予測された速度分散プロファイルを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波動的ダークマター核は、矮小楕円銀河の観測と整合する核密度プロファイルを生成できるか？
• RQ2 波動的ダークマターから予測される速度分散プロファイルは、ドリルやウラス・マイノルのような矮小楕円銀河で観測された平坦または緩やかに上昇するプロファイルと一致するか？
• RQ3 低質量・低表面輝度銀河の運動学を説明する観点で、波動的ダークマターモデルは冷たいダークマターと比べてどのように異なるか？
• RQ4 ダークマターの波動的性質が、とりわけカスプが存在しない場合の銀河核の構造にどのような意味を持つのか？
• RQ5 球対称性におけるシュレーディンガー＝ポアソン系は、矮小楕円銀河の観測された質量対光度比および動力学的質量を再現できるか？

主な発見

• 波動的ダークマター核は自然に核密度プロファイルを生成し、冷たいダークマターモデルに見られるコア・カスプ問題を解決する。
• 波動的ダークマターから予測される速度分散プロファイルは、ドリルやウラス・マイノルのような矮小楕円銀河で観測された平坦または緩やかに上昇するプロファイルと一致する。
• モデルは、パrameterの微調整を必要とせず、矮小楕円銀河の観測された質量対光度比および動力学的質量を再現する。
• 球対称性におけるシュレーディンガー＝ポアソン系の数値的解法により、有限質量かつコンパクトサポートを持つ安定した定常的波動関数解が得られる。
• ダークマターの波動的性質は、量子的圧力として現れ、重力収縮を抑制し、広がりがあり低密度の核を形成する。
• モデルは一般相対性理論の制約と整合しており、低質量・低表面輝度系において冷たいダークマターの妥当な代替案を提供する。