[논문 리뷰] Milky Way Satellite Census. IV. Constraints on Decaying Dark Matter from Observations of Milky Way Satellite Galaxies

S. Mau, Ethan O. Nadler외 68명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 117인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 은하수 은하계의 위성 은하 집단을 이용해 붕괴하는 어두운 물질(DDM)을 제약한다. DDM 붕괴가 자식 입자들에게 '킥 속도'를 주어 저질량의 하위구조를 감소시킨다는 모델링을 하며, 고해상도 시뮬레이션과 관측 편향을 고려한 정방향 모델링 기법을 사용한다. 그 결과, 18 Gyr 미만(20 km s⁻¹ 킥 속도일 경우) 또는 29 Gyr 미만(40 km s⁻¹ 킥 속도일 경우)인 DDM 모델은 95% 신뢰수준에서 배제되며, 이는 소규모 구조에서 DDM에 대한 가장 강력한 제약 중 하나이다.

ABSTRACT

We use a recent census of the Milky Way (MW) satellite galaxy population to constrain the lifetime of particle dark matter (DM). We consider two-body decaying dark matter (DDM) in which a heavy DM particle decays with lifetime τ comparable to the age of the universe to a lighter DM particle (with mass splitting ϵ) and to a dark radiation species. These decays impart a characteristic "kick velocity,"V kick = ϵ c, on the DM daughter particles, significantly depleting the DM content of low-mass subhalos and making them more susceptible to tidal disruption. We fit the suppression of the present-day DDM subhalo mass function (SHMF) as a function of τ and V kick using a suite of high-resolution zoom-in simulations of MW-mass halos, and we validate this model on new DDM simulations of systems specifically chosen to resemble the MW. We implement our DDM SHMF predictions in a forward model that incorporates inhomogeneities in the spatial distribution and detectability of MW satellites and uncertainties in the mapping between galaxies and DM halos, the properties of the MW system, and the disruption of subhalos by the MW disk using an empirical model for the galaxy-halo connection. By comparing to the observed MW satellite population, we conservatively exclude DDM models with τ < 18 Gyr (29 Gyr) for V kick = 20 kms-1 (40 kms-1) at 95% confidence. These constraints are among the most stringent and robust small-scale structure limits on the DM particle lifetime and strongly disfavor DDM models that have been proposed to alleviate the Hubble and S 8 tensions.

연구 동기 및 목표

• 붕괴하는 어두운 물질(DDM)이 허블 상수 및 S8 불일치 문제와 같은 천체물리적 불일치를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• DDM 붕괴가 은하수 위성의 하위구조 질량 함수(SHMF)에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 관측된 위성 수와 공간 분포를 이용해 DDM 입자의 수명과 킥 속도를 제약하는 것.
• 관측 불완전성, 은하-은하중심 연결 불확실성, 디스크 유도 편심 붕괴를 고려한 견고한 정방향 모델링 프레임워크를 개발하는 것.

제안 방법

• 은하수 질량의 하위구조를 고해상도 줌인 시뮬레이션에서 DDM 붕괴를 시뮬레이션하여, 붕괴 수명 τ와 킥 속도 Vkick에 따라 하위구조 질량 함수(SHMF)가 어떻게 억제되는지 모델링한다.
• 은하수와 유사한 시스템에 대한 새로운 DDM 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션된 SHMF 억제 정도를 검증한다.
• DDM의 SHMF 예측을 정방향 모델링 프레임워크에 통합하여, 비균일한 위성 탐지 가능성, 은하-은하중심 연결 불확실성, 경험적 디스크 붕괴 모델을 포함한다.
• 베이지안 추론을 통해 모델링된 위성 집단을 관측된 은하수 위성계와 비교하여 DDM 매개변수를 제약한다.
• emcee를 통한 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 이용해 매개변수 공간을 탐색하고 95% 신뢰구간을 계산한다.
• 어두운 에너지 조사(DES)의 관측 데이터를 포함하여, 공간 분포, 등급 한계, 완전성 보정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 은하수 위성 집단과 일치하는 데 허용되는 붕괴하는 어두운 물질 입자의 최대 수명은 얼마인가?
• RQ2 자식 어두운 물질 입자들에게 주어지는 킥 속도가 저질량 하위구조의 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관측 편향과 은하-은하중심 연결의 불확실성은 DDM에 대한 제약에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 허블 상수 및 S8 불일치를 해결하기 위해 제안된 DDM 모델들은 소규모 구조 관측으로부터 배제될 수 있는가?
• RQ5 은하수 위성으로부터의 제약은 대규모 구조 및 팽창 역사 측정과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 20 km s⁻¹의 킥 속도일 경우, 95% 신뢰수준에서 수명 τ < 18 Gyr인 DDM 모델은 배제된다.
• 40 km s⁻¹의 더 높은 킥 속도일 경우, 제약 조건은 τ < 29 Gyr로 더욱 강화된다.
• 이 제약 조건은 소규모 구조에서 붕괴하는 어두운 물질 입자의 수명에 대해 현재까지 가장 강력한 제약 중 하나이다.
• 결과적으로, 허블 상수 및 S8 불일치를 완화하기 위해 제안된 DDM 모델들은 일반적으로 배제된 범위 이하의 수명을 요구하므로 강하게 배제된다.
• 정방향 모델링 접근법은 관측 불완전성, 은하-은하중심 연결 불확실성, 편심 붕괴를 효과적으로 고려하여 제약의 견고성을 높였다.
• 이 연구 결과는 은하수 위성 집단의 수와 분포가 대규모 구조 및 팽창 역사 측정과 함께 어두운 물질 물리학을 탐색하는 강력하고 보완적인 수단임을 보여준다.