[論文レビュー] A dark matter scaling relation from mirror dark matter

R. Foot|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、普通の超新星からのエネルギーが光子-ミラー光子の運動エネルギー混合を通じて、渦巻き銀河内のミラー対称性をもつ暗黒物質ハローを安定化させることを提案している。その結果、超新星発生率 $ R_{\text{SN}} \propto \rho_0 r_0^2 $ というスケーリング則が導かれる。ここで $ R_{\text{SN}} $ は超新星発生率、$ \rho_0 $ と $ r_0 $ は中心の暗黒物質密度およびコア半径を表す。この関係は観測された銀河の性質と整合的であり、散逸的暗黒物質モデルが銀河のスケーリング則を説明できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

Mirror dark matter, and other similar dissipative dark matter candidates, need an energy source to stabilize dark matter halos in spiral galaxies. It has been suggested previously that ordinary supernovae can potentially supply the required energy. By matching the energy supplied to the halo from supernovae to that lost due to radiative cooling, we here derive a rough scaling relation, $R_{SN} \propto ρ_0 r_0^2$ ($R_{SN}$ is the supernova rate and $ρ_0, \ r_0$ the dark matter central density and core radius). Such a relation is consistent with dark matter properties inferred from studies of spiral galaxies with halo masses larger than $3 imes 10^{11} M_\odot$. We speculate that other observed galaxy regularities might be explained within the framework of such dissipative dark matter.

研究の動機と目的

• 渦巻き銀河内のミラー暗黒物質ハローの安定性を説明すること。これは、放射冷却によって本来は崩壊するはずである。
• 通常の超新星が、散逸的暗黒物質ハロー内の放射冷却を相殺するのに十分なエネルギーを供給できるかどうかを調査すること。
• エネルギー収支の議論を用いて、超新星発生率と暗黒物質ハローのパラメータとの間のスケーリング則を導出すること。
• 導出された関係が、ハロー質量が $ 3 \times 10^{11} M_\odot $ を超える渦巻き銀河の観測データと整合するかどうかを評価すること。
• 散逸的暗黒物質が銀河構造およびスケーリング則に与える広範な意味を探索すること。

提案手法

• ミラー暗黒物質ハローを、イオン化されたミラーヘリウムの自己重力的・圧力支持系とモデル化し、$ \rho_{\text{dm}} \propto \rho_0 r_0^2 / (r^2 + r_0^2) $ と仮定する。
• 放射冷却関数 $ \Gamma_{\text{cool}} = \Lambda(T) \int n_{e'}^2 dV $ を用いて、冷却によるエネルギー損失を計算する。
• 光子-ミラー光子の運動エネルギー混合を通じて超新星からのエネルギー入力を推定し、$ \mathcal{L}_{\text{mix}} = \frac{\epsilon}{2} F^{\mu\nu} F'_{\mu\nu} $ とし、$ \epsilon \sim 10^{-9} $ を仮定する。
• 各体積要素において、エネルギー入力 $ d\mathcal{E}_{\text{in}} \propto F \sum \sigma_{A'} n_{A'} dV $ をエネルギー損失 $ d\mathcal{E}_{\text{out}} = \Lambda(T) n_{e'}^2 dV $ と一致させる。
• 超新星の表面密度が $ \Sigma(\tilde{r}) \propto e^{-\tilde{r}/r_D} $ に従うフレイマンディスク分布を仮定し、大半径におけるフラックス $ F(r_1,z_1) \propto 1/r^2 $ を計算する。
• エネルギー入力と損失を等置することで、$ n_{e'} \propto 1/r^2 $ を仮定して、スケーリング $ R_{\text{SN}} \propto \rho_0 r_0^2 $ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の超新星が、重力的崩壊からミラー暗黒物質ハローを安定化させるのに十分なエネルギーを供給できるか？
• RQ2 ミラー暗黒物質におけるエネルギー収支から、超新星発生率と暗黒物質ハローのパラメータとの間のスケーリング則は何か？
• RQ3 導出されたスケーリング則 $ R_{\text{SN}} \propto \rho_0 r_0^2 $ は、渦巻き銀河の観測と整合的か？
• RQ4 超新星の空間的分布が、ミラー暗黒物質モデルにおけるエネルギーフラックスおよびハロー構造に与える影響は何か？
• RQ5 散逸的暗黒物質モデル（例：ミラー暗黒物質）は、観測された銀河のスケーリング則を説明できるか？

主な発見

• 超新星からのエネルギー入力とミラー暗黒物質ハロー内の放射冷却損失をバランスさせることで、粗いスケーリング則 $ R_{\text{SN}} \propto \rho_0 r_0^2 $ が導出された。
• 導出されたスケーリング則は、ハロー質量が $ 3 \times 10^{11} M_\odot $ を超える渦巻き銀河の研究から得られた暗黒物質の性質と整合的である。
• $ \epsilon \sim 10^{-9} $ の光子-ミラー光子運動エネルギー混合を通じて、超新星からのエネルギー入力は、ミラー粒子に約半分のコア崩壊超新星エネルギーを供給できる。
• 拡張された超新星源（例：フレイマンディスク）からのフラックスは、大半径で $ F \propto 1/r^2 $ に比例し、$ r_0 \propto r_D $ のスケーリングを支持する。
• 本モデルは、エネルギー入力と冷却損失が一致する場合、ミラー暗黒物質ハローがコアを持つ圧力支持構造を維持できることを示唆している。
• この分析は、散逸的暗黒物質候補が観測された銀河の規則性の背後にある要因である可能性を示しており、今後の詳細な研究が求められる。