[논문 리뷰] Offsets between member galaxies and dark matter in clusters: a test with the Illustris simulation

Karen Ng, Annalisa Pillepich외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 28.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Illustris $λ$CDM 시뮬레이션을 사용하여 융합 클러스터에서 관측된 은하-암흑물질 이격이 $λ$CDM 물리학만으로도 발생할 수 있는지 테스트한다. 연구 결과, 은하 피크 추정에서 발생하는 통계적 노이즈와 체계적 편향(특히 BCG와 빛의 밀도 핵심 밀도 추정)이 최대 160 kpc까지의 이격을 유도할 수 있음을 밝혀내어, 큰 이격이 자성 상호작용을 가진 암흑물질의 증거로 해석되는 것에 의문을 제기한다.

ABSTRACT

Dark matter with a non-zero self-interacting cross section ($σ_{ m SIDM}$) has been posited as a solution to a number of outstanding astrophysical mysteries. Many studies of merging galaxy clusters have given constraints on $σ_{ m SIDM}$ based on the spatial offset between the member galaxy population and the dark matter distribution. Assuming $σ_{ m SIDM} = 0$, how likely is it for us to see the galaxy-DM offset values observed in merging clusters of galaxies? To answer this question, we formulate a hypothesis test using data from Illustris, a $Λ$CDM cosmological simulation. We select 43 Illustris clusters and their galaxy members at z~0 and examine the accuracy of commonly used galaxy summary statistics, including kernel-density-estimation (KDE) luminosity peak, KDE number density peak, shrinking aperture, centroid and the location of the brightest cluster galaxy (BCG). We use the dark-matter particles to reproduce commonly adopted methods to identify dark-matter peaks based on gravitational lensing cluster maps. By analysing each cluster in 768 projections, we determine the optimistic noise floor in the measurements of the galaxy-DM offsets. We find that the choice of the galaxy summary statistics affects the inferred offset values substantially, with the BCG and the luminosity peak giving the tightest 68-th percentile offset levels, $\lesssim$ 4 kpc and $\lesssim$ 32 kpc, respectively. Shrinking aperture, number density and centroid give a large offset scatter of about 50-100 kpc at the 68-th percentile level, even for clusters with only one dominant mass component. Out of the 15 reported offsets from observed merging clusters that we examined, 13 of them are consistent with Illustris unrelaxed cluster offsets at the 2-sigma (95-th percentile) level, i.e. consistent with the hypothesis that $Λ$CDM is the true underlying physical model.

연구 동기 및 목표

• 융합 클러스터에서 관측된 은하-암흑물질 이격이 자성 상호작용을 가진 암흑물질(SIDM)을 도입하지 않고도 $λ$CDM로 설명될 수 있는지 평가하기.
• BCG, KDE, 중심점 등 다양한 은하 피크 추정 방법에 대한 체계적 불확실성의 크기를 $λ$CDM 내에서 정량화하기.
• 은하-DM 이격 측정에 널리 사용되는 은하 요약 통계량의 신뢰성 평가하기.
• 이dealized 관측 조건 하에서 $λ$CDM 내 은하-DM 이격 측정의 노이즈 바닥 수준을 결정하기.
• 시뮬레이션된 $λ$CDM 이격과 15개 융합 클러스터에서의 관측 이격을 비교하여 $λ$CDM와의 일관성 테스트하기.

제안 방법

• z \sim 0에서 43개의 Illustris 클러스터를 선별하고, 관측 선택 조건을 모의하여 구성원 은하 식별하기.
• 비틀림 파라미터 $\nu$를 사용하여 클러스터의 안정성(편안함)을 평가하여, 안정적($\nu < 1.2$)과 비안정적($1.2 < \nu < 2.2$) 시스템을 구분하기.
• 다양한 은하 요약 통계량 적용: BCG, 빛 밀도의 커널 밀도 추정(KDE), 수밀도, 수축형 구획, 중심점.
• 표준 방법을 사용하여 시뮬레이션된 약한 렌즈 맵에서 암흑물질 피크를 재구성하여 DM 위치 추정하기.
• 선형 시야 효과를 평가하고 이격 분포를 측정하기 위해 각 클러스터를 768개의 방향으로 투영하기.
• 15개 융합 클러스터에서의 관측 이격과 시뮬레이션된 $λ$CDM 이격 분포를 비교하는 가설 검정 수행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 융합 클러스터에서 관측된 은하-DM 이격이 자성 상호작용을 가진 암흑물질를 도입하지 않고도 $λ$CDM로 설명될 수 있는가?
• RQ2 다양한 은하 피크 추정 방법이 $λ$CDM 내에서 측정된 은하-DM 이격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $λ$CDM 내에서 은하-DM 이격 측정의 본질적 산란과 노이즈 바닥 수준은 무엇인가?
• RQ4 하위조직체와 투영 효과는 특히 BCG의 경우 이격 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 융합 클러스터에서 보고된 이격 값들이 통계적으로 $λ$CDM 예측과 일관한가?

주요 결과

• BCG는 비안정 클러스터($1.2 < \nu < 2.2$)에서 암흑물질 피크로의 68번째 백분위수 이격이 $\lesssim 4$ kpc로 가장 날카롭게 나타난다.
• 비록 중심 피크가 날카롭지만, BCG는 투영 효과와 하위조직체로 인해 5% 꼬리에서 160 kpc를 초과하는 이격을 보인다.
• KDE 빛 피크는 두 번째로 날카로운 이격을 보이며, 68번째 백분위수는 $\lesssim 32$ kpc, 99번째 백분위수 꼬리는 $\lesssim 124$ kpc이다.
• 수축형 구획, 수밀도, 중심점과 같은 방법들은 큰 산란을 보이며, 심지어 단일 주요 질량 성분을 가진 클러스터에서도 68번째 백분위수 이격이 $\sim 50$–$100$ kpc에 이르렀다.
• 15개의 관측 이격 중 13개는 2시그마(95번째 백분위수) 수준에서 $λ$CDM 이격 분포와 일관성이 있다.
• $λ$CDM 이격의 통계적 불확실성은 최대 SIDM 이격 신호($\lesssim 50$ kpc)와 비슷한 크기이며, 이로 인해 이격 기반의 SIDM 제약력이 제한된다.