[논문 리뷰] Dissipative dark matter explains rotation curves

R. Foot|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 질량이 없는 어둠의 광자에 의해 상호작용하는 고갈성 어둠의 물질—어둠의 물질 입자가 어둠의 브레머스트라할링으로 냉각되는 것과 일반 광자와의 운동 에너지 혼합을 통한 초신성에 의한 가열을 균형 잡는 모델—이 은하의 회전곡선을 설명할 수 있음을 제안한다. 이 모델은 핵심형 어둠의 물질 프로파일을 예측하고 관측된 회전곡선을 성공적으로 재현하며, 저질량은하의 가스 분포와 관련된 미세한 파도 무늬도 설명한다.

ABSTRACT

Dissipative dark matter, where dark matter particles interact with a massless (or very light) boson, is studied. Such dark matter can arise in simple hidden sector gauge models, including those featuring an unbroken $U(1)'$ gauge symmetry, leading to a dark photon. Previous work has shown that such models can not only explain the LSS and CMB, but potentially also dark matter phenomena on small scales, such as the inferred cored structure of dark matter halos. In this picture, dark matter halos of disk galaxies not only cool via dissipative interactions but are also heated via ordinary supernovae (facilitated by an assumed photon - dark photon kinetic mixing interaction). This interaction between the dark matter halo and ordinary baryons, a very special feature of these types of models, plays a critical role in governing the physical properties of the dark matter halo. Here, we further study the implications of this type of dissipative dark matter for disk galaxies. Building on earlier work, we develop a simple formalism which aims to describe the effects of dissipative dark matter in a fairly model independent way. This formalism is then applied to generic disk galaxies. We also consider specific examples, including NGC 1560 and a sample of dwarf galaxies from the LITTLE THINGS survey. We find that dissipative dark matter, as developed here, does a fairly good job accounting for the rotation curves of the galaxies considered. Not only does dissipative dark matter explain the linear rise of the rotational velocity of dwarf galaxies at small radii, but it can also explain the observed wiggles in rotation curves which are known to be correlated with corresponding features in the disk gas distribution.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 어둠의 물질 시뮬레이션에서 예측하는 날카로운 핵심형 어둠의 물질 프로파일과 은하의 회전곡선에서 유추되는 핵심형 프로파일 간의 괴리 원인을 설명하기 위해.
• 냉각된 어둠의 물질이 질량이 없는 어둠의 광자에 의해 상호작용하는 고갈성 어둠의 물질이 디스크 은하에서 자연스럽게 핵심형 외곽을 형성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 일반 광자와의 운동 에너지 혼합을 통한 초신성에 의한 가열이 외곽 냉각을 균형 잡고 안정된 상태의 관측 가능한 회전곡선을 이끌어낼 수 있는지 테스트하기 위해.
• 일반적인 디스크 은하에 적용 가능한 모델 독립적 형식을 개발하기 위해.
• 특정 은하, 즉 NGC 1560 및 LITTLE THINGS 설문조사의 저질량은하의 관측된 회전곡선과 예측을 비교하기 위해.

제안 방법

• 어둠의 물질 외곽을 어둠의 물질 수 밀도의 제곱에 비례하는 어둠의 브레머스트라할링에 의한 냉각을 고려해 유체로 모델링하고, 오일러 방정식에 따르게 한다.
• 일반 초신성에서 발생하는 어둠의 광자를 통해 운동 에너지 혼합을 통한 가열을 포함시키며, 이는 에너지를 외곽에 투입한다.
• 냉각과 가열 속도를 균형 잡는 정적 상태 조건을 유도하여 단순한 관계 n(r) ∝ F_γD(r)σ_DP / Λ를 이끌어낸다.
• 초신성 분포에 프리먼 디스크 프로파일을 가정하고, 별 형성에 케니컷-스미스 유사 법칙을 적용하여 가용한 물질 원천을 모델링한다.
• 유도된 어둠의 물질 밀도 프로파일을 사용해 회전곡선을 계산하고, NGC 1560 및 LITTLE THINGS 저질량은하의 관측 데이터와 비교한다.
• 공간적으로 변화하는 가스 및 항성 분포를 통합하여, 회전곡선의 파도 무늬가 가용한 물질 디스크의 특징과 관련이 있는지 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 없는 어둠의 광자에 의해 상호작용하는 고갈성 어둠의 물질 모델이 디스크 은하에서 관측된 핵심형 어둠의 물질 프로파일을 재현할 수 있는가?
• RQ2 광자-어둠의 광자 운동 에너지 혼합을 통한 초신성에 의한 가열이 외곽 냉각을 균형 잡고 안정화시키는 데 충분하고 물리적으로 타당한 에너지원을 제공하는가?
• RQ3 이 모델이 저질량은하에서 작은 반경에서의 선형적 속도 상승을 설명할 수 있는가?
• RQ4 예측된 회전곡선이 가용한 물질 가스 분포의 특징과 관련된 미세한 파도 무늬를 재현할 수 있는가?
• RQ5 가열-냉각 균형에 기반한 모델 독립적 형식이 자유 매개변수를 최소화하면서 다양한 은하에 대해 회전곡선을 예측하는 데에 충분한가?

주요 결과

• 이 모델은 NGC 1560 및 LITTLE THINGS 설문조사의 여러 저질량은하의 관측된 회전곡선을 전체적인 형태와 핵심형 프로파일을 포함해 성공적으로 재현한다.
• 예측된 회전곡선은 낮은 표면 밝기 저질량은하의 관측 결과와 일치하는 작은 반경에서의 선형 상승을 보인다.
• 회전곡선의 미세한 파도 무늬는 가용한 물질 가스 분포의 해당 특징과 상관관계를 보이며, 이는 초신성에 의한 局부 가열의 물리적 기원을 시사한다.
• 정적 상태 가정—어둠의 브레머스트라할링에 의한 냉각과 어둠의 광자 조사에 의한 가열의 균형—은 어둠의 물질 밀도와 국소 에너지 조사 간의 단순한 관계를 이끌어낸다.
• 이 모델의 예측은 별 형성 법칙에 대한 다양한 가정, 즉 N=1.0에서 N=3.0까지 변화하는 케니컷-스미스 지수를 포함해 강인하다.
• 이 프레임워크는 운동 에너지 혼합, 단면적 등 모델 의존성을 압축하는 단일 효과 매개변수를 제공함으로써 다양한 은하에 걸쳐 예측 능력을 갖춘다.