[논문 리뷰] Astrophysical Tests of Dark Matter with Maunakea Spectroscopic Explorer

Ting S. Li, Manoj Kaplinghat외 28명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 07.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 망원경의 고다중성(4,300개의 광섬유), 넓은 시야(1.5 deg²), 그리고 11.25m의 입구를 갖춘 Maunakea Spectroscopic Explorer(MSE)가 모든 질량 스케일에서 어둠센 물질 허브를 맵핑함으로써 어둠센 물질 입자물리학에 대한 변혁적인 천체물리적 시험을 가능하게 할 것임을 제안한다. 밀리웨이의 은하, 그의 위성, 그리고 저적색계 은하에서 별의 운동학, 위상공간 분포, 밀도 프로파일을 측정함으로써, 냉각되고 충돌하지 않는 어둠센 물질에서의 편차를 탐지할 수 있으며, 직접 및 간접 탐지 제약 조건을 향상시키고, 자가상호작용, 따뜻한, 흐린 어둠센 물질 모델을 시험할 수 있다.

ABSTRACT

We discuss how astrophysical observations with the Maunakea Spectroscopic Explorer (MSE), a high-multiplexity (about 4300 fibers), wide field-of-view (1.5 square degree), large telescope aperture (11.25 m) facility, can probe the particle nature of dark matter. MSE will conduct a suite of surveys that will provide critical input for determinations of the mass function, phase-space distribution, and internal density profiles of dark matter halos across all mass scales. N-body and hydrodynamical simulations of cold, warm, fuzzy and self-interacting dark matter suggest that non-trivial dynamics in the dark sector could have left an imprint on structure formation. Analysed within these frameworks, the extensive and unprecedented datasets produced by MSE will be used to search for deviations away from cold and collisionless dark matter model. MSE will provide an improved estimate of the local density of dark matter, critical for direct detection experiments, and will improve estimates of the J-factor for indirect searches through self-annihilation or decay into Standard Model particles. MSE will determine the impact of low mass substructures on the dynamics of Milky Way stellar streams in velocity space, and will allow for estimates of the density profiles of the dark matter halos of Milky Way dwarf galaxies using more than an order of magnitude more tracers. In the low redshift Universe, MSE will provide critical redshifts to pin down the luminosity functions of vast numbers of satellite systems, and MSE will be an essential component of future strong lensing measurements to constrain the halo mass function. Across nearly all mass scales, the improvements offered by MSE, in comparison to other facilities, are such that the relevant analyses are limited by systematics rather than statistics.

연구 동기 및 목표

• 표준 냉각되고 충돌하지 않는 모델을 초월하여 어둠센 물질의 입자 성질을 탐지하기 위해 MSE의 사전 없이도 이루어진 스펙트로스코픽 능력을 활용하기 위해.
• 직접 및 간접 탐지 실험에 핵심적인 지역 어둠센 물질 밀도 및 J-요인에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 밀리웨이 및 그의 희미한 위성의 어둠센 물질 허브의 위상공간 분포와 내부 밀도 프로파일을 수십만 개의 추적자로 맵핑하기 위해.
• 자기상호작용(SIDM), 따뜻한(WDM), 흐린(FDM) 어둠센 물질 모델의 예측을, 하위구조, 스트림 운동학, 허브 이격과 같은 천체물리적 관측치를 통해 시험하기 위해.
• 고공간 및 고시간 완전성을 확보함으로써 어둠센 물질 허브 질량함수 및 빛나는 함수 측정에서의 체계적 오차를 줄이기 위해.

제안 방법

• MSE의 4,300개 광섬유 스펙트로스코피를 활용하여 밀리웨이의 별 스트림, 토성 은하, 위성 시스템의 별들에 대한 적색이동과 속도 분산을 측정한다.
• 고해상도 운동학 모델링을 적용하여 추적자의 위상공간 분포에서 중력 포텐셜과 어둠센 물질 허브 밀도 프로파일을 추론한다.
• 강한 렌즈 맵과 X선/기체 운동학을 MSE 데이터와 결합하여 융합 클러스터에서 간섭성 물질과 빛나는 물질의 피크 간 이격을 측정한다.
• 자기상호작용(SIDM), 따뜻한(WDM), 흐린(FDM) 어둠센 물질 모델의 N-체 및 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 코어 형성, 가장 밝은 클러스터 은하의 진동, 스트림 하위구조와 같은 관측 가능한 인상을 예측한다.
• 안정된 클러스터에서 BCG의 진동과 하위구조 이격을 통합 분석하여 자기상호작용 단면적을 제약한다.
• LSST의 광도 측정과 MSE 적색이동 데이터를 통합하여 희미한 끝부분의 은하 빛나는 함수와 저적색 환경에서 위성 허브 질량함수를 고완전성으로 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSE는 밀리웨이의 별 스트림과 토성 은하의 위상공간 분포 및 밀도 프로파일에서 냉각 어둠센 물질의 편차를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 MSE는 직접 및 간접 탐지 실험을 위한 지역 어둠센 물질 밀도와 J-요인의 정밀도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 MSE는 융합 클러스터에서 가장 밝은 클러스터 은하의 운동학적 진동이나 하위구조 이격을 통해 자기상호작용 어둠센 물질의 징후를 식별할 수 있는가?
• RQ4 밀리웨이 허브의 저질량 하위구조 운동학은 별 스트림의 속도 구조에 어떻게 영향을 미치며, MSE는 이러한 특징을 해상도를 높여 식별할 수 있는가?
• RQ5 MSE의 고정밀 적색이동 데이터는 희미한 끝부분의 은하 빛나는 함수 및 저적색 환경에서의 허브 질량함수에 대한 강력한 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• MSE는 밀리웨이의 토성 은하에서 어둠센 물질 허브 밀도 프로파일 맵핑을 위한 수십만 개 이상의 추적자를 제공하여 내부 구조에 대한 정밀 제약 조건을 가능하게 할 것이다.
• 이 조사로 지역 어둠센 물질 밀도 추정치가 10% 이내의 정밀도로 향상되어 직접 탐지 실험의 민감도를 크게 향상시킬 것이다.
• MSE는 초희미 토성 은하의 J-요인 측정에서 체계적 오차를 줄여 어둠센 물질의 상호작용 또는 붕괴 속도에 대한 더 강력한 제약 조건을 가능하게 할 것이다.
• MSE는 별 스트림의 속도공간 하위구조를 측정함으로써 질량이 10^6 M☉에 이르는 저질량 어둠센 물질 하위구조를 탐지할 수 있으며, 하위구조 질량함수 제약 조건을 향상시킬 것이다.
• 융합 클러스터에서 MSE의 스펙트로스코피를 통해 일시적인 이격과 BCG의 진동을 탐지할 수 있으며, 통합 분석을 통해 자기상호작용 단면적 σ/m ≲ 1 cm²/g 수준의 제약 조건을 달성할 수 있다.
• 고정밀 적색이동 데이터와 강한 렌즈 맵을 통합함으로써 어둠센 물질 피크를 1킬로파섹 이내로 맵핑할 수 있으며, 허브 중심 추정 오차를 1–10 kpc 이내로 줄일 수 있다.