[논문 리뷰] SHARP -- VII. New constraints on warm dark matter free-streaming properties and substructure abundance from flux-ratio anomalous lensed quasars

Jen-Wei Hsueh, Wolfgang Enzi외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 7인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 선형 경로의 허브스, 항성 디스크, 밝은 위성 천체를 포함한 고급 렌즈 모델을 사용하여 일곱 개인 강력 렌즈 퀘이사의 어두운 물질 성질을 제약한다. 냉각 어둠침 물질(CDM) 프레임워크에서 하위구조 질량 분율은 $ f_{\text{sub}} = 0.011^{+0.007}_{-0.005} $ 로 도출되었으며, 따뜻은 어둠침 물질(WDM)에 대해 $ m_{\text{wdm}} > 3.8 \, \text{keV} $ 의 하한선을 설정하였다. 이는 Ly$\alpha$ 숲 제약과 일관된다.

ABSTRACT

We present an analysis of seven strongly gravitationally lensed quasars and the corresponding constraints on the properties of dark matter. Our results are derived by modelling the lensed image positions and flux-ratios using a combination of smooth macro models and a population of low-mass haloes within the mass range $10^6$ to $10^9$ M$_\odot$. Our lens models explicitly include higher-order complexity in the form of stellar discs and luminous satellites, and low-mass haloes located along the observed lines of sight for the first time. Assuming a Cold Dark Matter (CDM) cosmology, we infer an average total mass fraction in substructure of $f_{ m sub} = 0.011^{+0.007}_{-0.005}$ (68 per cent confidence limits), which is in agreement with the predictions from CDM hydrodynamical simulations to within 1$\sigma$. This result is significantly different when compared to previous studies that did not include line-of-sight haloes. Under the assumption of a thermal relic warm dark matter (WDM) model, we derive a lower limit on the particle relic mass of $m_{ m wdm} > 3.8$ keV (95 per cent confidence limits), which is consistent with a value of $m_{ m wdm} > 3.5$ keV from the recent analysis of the Ly$\alpha$ forest.

연구 동기 및 목표

• 중력 렌즈 모델에 관측선 상의 저질량 허브스를 포함시켜 어둠침 물질 하위구조에 대한 제약을 향상시키기 위해.
• 관측된 렌즈 퀘이사의 광도 비율 비정상성과 냉각 어둠침 물질(CDM) 예측의 일관성을 시험하기 위해.
• 광도 비율 비정상성과 렌즈 데이터를 사용하여 따뜻은 어둠침 물질(WDM) 입자 질량에 대한 제약을 유도하기 위해.
• 항성 디스크와 밝은 위성 천체와 같은 고차원 렌즈 효과가 하위구조 추론에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 부드러운 매크로 모델과 저질량 허브스(10^6 ~ 10^9 \, M_\odot)의 집단을 사용하여 렌즈 이미지 위치와 광도 비율을 모델링하였다.
• 이러한 분석에서 처음으로 관측된 선로 상의 선로 경로 허브스를 포함시켰다.
• 고차원 렌즈 효과를 고려하기 위해 항성 디스크와 밝은 위성 천체를 포함시켰다.
• 베이지안 추론을 사용하여 하위구조 질량 분율과 WDM 입자 질량에 대한 사후 분포를 도출하였다.
• CDM 및 열적 잔여 WDM 모델 하에서 결과를 비교하여 제약 조건을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 경로의 허브스를 포함할 경우, 강력 렌즈 퀘이사의 광도 비율 비정상성에서 유추된 어둠침 물질 하위구조의 총 질량 분율은 얼마인가?
• RQ2 유추된 하위구조 특성은 CDM 유체역학 시뮬레이션의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 렌즈 데이터를 사용하여 따뜻은 어둠침 물질 입자 잔여 질량에 대해 어떤 하한선을 설정할 수 있는가?
• RQ4 항성 디스크와 밝은 위성 천체의 포함이 유추된 하위구조 파rameter에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유추된 하위구조 질량 분율은 68% 신뢰수준에서 $ f_{\text{sub}} = 0.011^{+0.007}_{-0.005} $ 로 도출되었으며, CDM 시뮬레이션과 1$\sigma$ 범위 내에서 일치한다.
• 선로 경로의 허브스를 포함시킨 결과는 이전 연구에서 이를 배제한 경우와 상당히 다른 결과를 낳는다.
• 열적 잔여 WDM 모델 하에서 95% 신뢰수준에서 $ m_{\text{wdm}} > 3.8 \, \text{keV} $ 의 하한선이 도출되었다.
• 이 WDM 제약은 최근의 Ly$\alpha$ 숲 제약인 $ m_{\text{wdm}} > 3.5 \, \text{keV} $ 와 일관된다.