[논문 리뷰] The MUSE-Faint survey: I. Spectroscopic evidence for a star cluster in Eridanus 2 and constraints on MACHOs as a constituent of dark matter

Sebastiaan L. Zoutendijk, J. Brinchmann외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 23.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 77인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 MUSE-Faint 설문 데이터를 사용하여 초박성 밝기의 왜소은하 에리다누스 2(Eridanus 2)에 별집단이 존재하는 분광학적 증거를 제시한다. 이는 낮은 속도 분산을 보이며 동역학적으로 구분되는 별집단으로서의 존재를 확인한다. 이 연구는 암흑물질으로서의 질량이 큰 천체적 밀집 허브 오브젝트(MACHOs)에 대해 새로운 제약 조건을 도출하며, 암흑물질이 전적으로 MACHOs로 이루어져 있을 경우 68% 신뢰수준에서 7.6 M⊙ 이상의 질량은 배제되고, 95% 신뢰수준에서는 44 M⊙ 이상의 질량은 배제된다.

ABSTRACT

We aim to provide spectroscopic evidence regarding the nature of the putative star cluster in Eridanus 2 and to place constraints on the mass and abundance of massive astrophysical compact halo objects (MACHOs) as a constituent of dark matter. Methods. We present spectroscopic observations of the central square arcminute of Eridanus 2 from MUSE-Faint, a survey of ultra-faint dwarf galaxies with the Multi Unit Spectroscopic Explorer on the Very Large Telescope. We derive line-of-sight velocities for possible member stars of the putative cluster and for stars in the centre of Eridanus 2. We discuss the existence of the cluster and determine new constraints for MACHOs using the Fokker-Planck diffusion approximation. Results. Out of 182 extracted spectra, we identify 26 member stars of Eridanus 2, seven of which are possible cluster members. We find intrinsic mean line-of-sight velocities of $79.7^{+3.1}_{-3.8}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ and $76.0^{+3.2}_{-3.7}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ for the cluster and the bulk of Eridanus 2, respectively, and intrinsic velocity dispersions of ${<}7.6\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$ (68-$\%$ upper limit) and $10.3^{+3.9}_{-3.2}\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$, respectively. This indicates the cluster most likely exists as a distinct dynamical population hosted by Eridanus 2, without surplus of dark matter over the background distribution. Among the member stars in the bulk of Eridanus 2, we find possible carbon stars, alluding to the existence of an intermediate-age population. We derive constraints on the fraction of dark matter that can consist of MACHOs with a given mass between $1$-$10^5\,M_\mathrm{sun}$. For dark matter consisting purely of MACHOs, the mass of the MACHOs must be less than ${\sim}7.6\,M_\mathrm{sun}$ and ${\sim}44\,M_\mathrm{sun}$ at a $68$- and $95$-$\%$ confidence level, respectively. (Abridged)

연구 동기 및 목표

• 초박성 밝기의 왜소은하 에리다누스 2(Eridanus 2)에 존재하는 것으로 추정되는 별집단에 대한 분광학적 확인을 제공한다.
• 집단의 운동학적 성질(평균 속도 및 속도 분산)과 에리다누스 2의 주요 부분의 운동학적 성질을 결정하여 그 동역학적 독립성을 평가한다.
• 집단의 생존을 통해 질량이 큰 천체적 밀집 허브 오브젝트(MACHOs)가 암흑물질의 구성 성분으로서의 비율과 질량을 제약한다.
• 초기 질량 함수, 금속성, 동역학적 질량 추정 방법의 불확실성에 대해 MACHO 제약 조건의 강인성을 시험한다.
• 특히 고질량 MACHO에 대해 Fokker–Planck 확산 근사의 유효성 평가를 수행한다.

제안 방법

• 아주 큰 망원경(Very Large Telescope)에 장착된 다단위 스펙트로스코픽 엑스플로러(MUSE)를 사용하여 에리다누스 2의 중심 1 제곱분면에 대한 분광 관측을 수행한다.
• 182개의 스펙트럼을 추출하고, 에리다누스 2의 구성성별 26개를 식별하였으며, 이 중 일곱 개는 집단 구성성별 후보로 확인되었다.
• 측정 불확실성과 내재된 분산을 고려한 강력한 통계 모델링을 통해 선형 방향 속도와 내재된 속도 분산을 측정하였다.
• Fokker–Planck 확산 근사를 적용하여 MACHO에 의한 별집단의 가열을 모델링하고, 집단의 생존과 MACHO 질량 및 비율 간의 관계를 설정하였다.
• emcee 샘플러를 사용한 베이지안 추론을 통해 속도 분산과 집단 질량의 불확실성을 통합하여 MACHO 질량 한계의 신뢰구간을 도출하였다.
• 초기 질량 함수, 금속성, 동역학적 질량 추정 방법의 변화에 따른 결과의 민감도를 평가하여 강인성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에리다누스 2의 중심에 별집단이 존재하는가, 분광 운동학적 데이터를 바탕으로 하면?
• RQ2 추정되는 별집단과 에리다누스 2의 주요 부분에 대한 내재된 선형 방향 속도와 속도 분산은 무엇인가?
• RQ3 집단의 생존은 MACHOs가 암흑물질 구성 성분으로서의 질량과 비율을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 초기 질량 함수와 금속성과 같은 천체물리적 가정의 변화에 대해 MACHO 제약 조건은 얼마나 강인한가?
• RQ5 특히 고질량 MACHO에 대해 Fokker–Planck 확산 근사는 어떤 한계를 지닌다?

주요 결과

• 분광 관측 결과, 내재된 평균 선형 방향 속도가 79.7+3.1−3.8 km s⁻¹이고, 속도 분산이 7.6 km s⁻¹ 이하(68% 상한선)인, 동역학적으로 차가운, 유계된 별집단으로서의 별집단이 존재함을 확인하였다.
• 에리다누스 2의 주요 부분은 평균 속도 76.0+3.2−3.7 km s⁻¹, 속도 분산 10.3+3.9−3.2 km s⁻¹를 보이며, 더 넓게 퍼져 있고 더 뜨거운 시스템임을 확인하였다.
• 배경 분포에 비해 집단이 현저히 과도하게 질량이 많지 않다는 점은, 이 집단이 독립된 낮은 암흑물질 과잉 밀도를 가진 인위적인 집단으로 존재한다는 것을 지지한다.
• 에리다누스 2의 구성성별 중 탄소성별의 존재 증거는 지배적인 노령성 인구 외에 중간 연령 인구가 존재함을 시사한다.
• 암흑물질이 전적으로 MACHOs로 이루어져 있을 경우, 68% 신뢰수준에서 100.88 M⊙ ≈ 7.6 M⊙ 이상의 질량은 배제되고, 95% 신뢰수준에서는 101.64 M⊙ ≈ 44 M⊙ 이상의 질량은 배제된다.
• 초기 질량 함수, 금속성, 동역학적 질량 추정 방법의 변화에 대해 제약 조건은 강인한 편이지만, MACHO 질량이 ≳10⁴ M⊙일 경우 Fokker–Planck 근사는 붕괴할 수 있다.